（微电子学与固体电子学专业论文）玻璃基双层掩埋式光波导的制备与表征.pdf

摘要 采用离子交换技术制备的玻璃光波导器件具有制作成本低廉，传输损耗低， 易于掺杂高浓度的稀土离子，与光纤匹配度高，环境稳定性好，以及容易在系统 中集成等优点，适合于大批量、低成本集成光学器件的制作。传统的a g + n a + 离 子交换技术得到了人们广泛的研究，成功应用于多种器件的研制与开发，如波分 复用器、光功率分束器、光放大器、激光器及光传感器等，并广泛应用与光通信 与光传感领域。 随着技术的发展，对器件的集成度要求越来越高。为了在同一块芯片上集成 更多的器件或更多的功能，一般有两种不同的途径：一是增大折射率差减小波导 尺寸，另一个就是本文所说的基于多层器件的实现。由于离子交换的特性，该技 术能很好的适用于三维集成。然而要集成不同光学器件层，需要阻止层与层之间 的光耦合，可以通过上下两层波导充分分隔实现。 本文通过分析经典的离子交换模型，建立了离子交换三维集成的简易模型。 通过对离子交换三维集成的模拟仿真，验证了多层掩埋式波导的可行性，并分析 了波导之间的相互影响。然后采用a g + n a + 热离子交换和电场辅助离子扩散技术 在光学玻璃基片上顺次制作了两层掩埋式光波导，形成双层波导。对双层光波导 的横截面结构进行了观察，并测试了各层波导的损耗特性对横截面各波导尺寸 的测量结果表明，所获得的双层光波导中上、下两层波导的中心到玻璃表面的距 离分别为1 4 1 a m 和3 5 1 a m ；上层光波导芯部尺寸约为1 2 9 m x 7 9 m ；下层光波导芯 部尺寸约为9 t a m x 8 1 a m 通光测试显示两层波导在1 5 5 9 m 工作波长下均为单模光 波导，且两者之间没有相互耦合损耗测试分析结果指出：堆栈中两层光波导的 传输损耗约均为o 1 2 d b c m ，与单模光纤之间的耦合损耗分别为0 7 8 和o 7 3 d b 。 本文所设计的两种结构测试结果表明，下层波导形成过程中a g + 离子在其漂移路 径上的痕量残余，导致上层波导在电场作用下的漂移速度降低，并降低波导对光 的波导效应，这可能会成为限制光波导层数的一个重要因素 实验结果表明，这种双层掩埋式光波导在玻璃基集成光学芯片的高密度集成 方面具有很好的应用前景。 关键词：集成光学；玻璃；离子交换；光波导；双层掩埋光波导 i i a b s t r a c t i o n - e x c h a n g ew a v e g u i d eo ng l a s sg e t sh o tf o ri t sn u m e r o u sb e n e f i t s ，s u c ha sl o w c o s t ，l o wp r o p a g a t i o nl o s s ，e a s i l yd o p i n gh i g hc o n c e n t r a t i o n so fr a r e e a r t hi o n ，g o o d m a t c h i n gw i t hs i n g l e m o d ef i b e r , g o o de n v i r o n m e n t a ls t a b i l i t ya n d c a p a b l eo f i n t e g r a t i n gm a n yc o m p o n e n t so nt h es a m es u b s t r a t e ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h e f a b r i c a t i o no ft h el a r g ev o l u m e sa n dl o wc o s ti n t e g r a t e do p t i c a ld e v i c e s t r a d i t i o n a l a g + n a + i o ne x c h a n g et e c h n o l o g yh a sr e c e i v e dw i d e s p r e a dr e s e a r c h a n dl o t so fl o w c o s tp a s s i v ea n da c t i v ec o m p o n e n t sh a v eb e e nr e a l i z e db yt h i st e c h n o l o g y , s u c ha s w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e r s ，o p t i c a ls p l i t t e r , o p t i c ma m p l i f i e r s ，l a s e r sa n ds e n s o r s ，a n d w i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n ds e n s i n gs y s t e m st ot r a n s m i ta n dr o u t e o p t i c a ls i g n a l so v e rd i s t a n c e a st e c h n o l o g ya d v a n c i n g ，t h ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n go nt h ei n t e g r a t i o no ft h e d e v i c e sh a sp r o p o s e d n o w a d a y st h ec h a l l e n g ei st o i n t e g r a t em o r ed e v i c e so r f u n c t i o n so no n e s i n g l ec h i p t w od i f f e r e n tp a t h sc a nb eu s e dt oa c h i e v et h i sg o a l ：t h e f i r s to n ec o n s i s t so far e d u c t i o no ft h ew a v e g u i d e s d i m e n s i o n sb ya ni n c r e a s eo ft h e r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e ，w h e r e a st h es e c o n do n e ，w h i c hi sa d d r e s s e di nt h i sp a p e r , i s b a s e do nt h er e a l i z a t i o no fm u l t i l a y e r e dd e v i c e s d u et ot h e p r o p e r t i e s o f i o n e x c h a n g eo ng l a s s ，t h i st e c h n o l o g yi sw e l la d a p t e df o r3 di n t e g r a t i o n h o w e v e r , t or e a l i z ei n t e g r a t e do p t i c a ld e v i c e sw i t ht w od i f f e r e n tl a y e r s ，i ti s m a n d a t o r yt o p r e v e n ta n yp a r a s i t i cl i g h tt r a n s f e rb e t w e e nt h e m t h i sc o n d i t i o nc a l lb ef u l f i l l e di ft h e t o pa n db o r o mw a v e g u i d e sa r es u f f i c i e n t l ys e p a r a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a le l e c t r i c f i e l d a s s i s t e d i o n e x c h a n g e d m o d e l ，w ee s t a b l i s h e das i m p l ei o n e x c h a n g e3 di n t e g r a t e dm o d e l b ys i m u l a t i o nw e v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i - l a y e rb u r i e dw a v e g u i d e sa n da n a l y z et h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ew a v e g u i d e s t h e nd o u b l e - l a y e rw a v e g u i d e sh a v e b e e no b t a i n e di no p t i c a l g l a s ss u b s t r a t eb ys u b s e q u e n t l ym a n u f a c t u r i n gt w ol a y e r so fb u r i e do p t i c a lw a v e g u i d e ， e a c hl a y e rb e i n gm a n u f a c t u r e db yt h e r m a la g + n a + i o n - e x c h a n g ea n df i e l d a s s i s t e d i o n - d i f f u s i o n m i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo ft h eo p t i c a lw a v e g u i d ec h i p sh a sb e e no b s e r v e d i i i a n di n s e r t i o nl o s s e so ft h ee a c hl a y e ra r ec h a r a c t e r i z e d r e s u l t ss h o wt h a tt h eo b t a i n e d d o u b l e l a y e rw a v e g u i d ei sc o m p o s e do ft w ol a y e r so fb u r i e dw a v e g u i d ew i t ht h e i r c o r ec e n t e rl o c a t e sr e s p e c t i v e l ya t14 i ，t ma n d3 5 p mb e n e a t ht h eg l a s ss u r f a c e ，c o r e d i m e n s i o no f t o pl a y e ra n db o t t o ml a y e rw a v e g u i d eb e i n g1 2 p x n x 7 p ma n d9 t t m x 8 i t m ， r e s p e c t i v e l y ；w a v e g u i d e si nb o t hl a y e r sa r ea l ls i n g l em o d ew a v e g u i d ea to p e r a t i n g w a v e l e n g t ho f1 5 5 1 a m ；t h e r ei sn od i r e c t i o n a lc o u p l i n gi so b s e r v e db e t w e e nd i f f e r e n t l a y e r s i n s e r t i o nl o s sc h a r a c t e r i z a t i o n si n d i c a t et h a tp r o p a g a t i o nl o s so fb o t hl a y e r sa r e o 12 d b e m ，a n dc o u p l i n gl o s sw i t h s i n g l e m o d ef i b e ra r e0 7 8 d b f a c e ta n d o 7 3 d b f a e e t ，f o rt o pl a y e ra n db o t t o ml a y e rw a v e g u i d e ，r e s p e c t i v e l y t e s tr e s u l t so f t w os t r u c t u r e sd e s i g n e di nt h i sp a p e rs h o wt h a tt h e r ea r es o m et r a c er e s i d u e so fa 套 i o n si nt h ed r i f tp a t hd u r i n gt h ef o r m a t i o no ft h eb o t t o mw a v e g u i d e ，w h i c hr e d u c i n g t h ed r i f tv e l o c i t yo ft h eu p p e rw a v e g u i d ei nt h ee l e c t r i cf i e l da n dt h er i p p l ee f f e c to f o p t i c a lw a v e g u i d e ，a n dw i l lb ca ni m p o r t a n tf a c t o ri nl i m i t i n gt h ew a v e g u i d el a y e r s a n a l y s i ss u g g e s t st h a tt h i sk i n do fo p t i c a lw a v e g u i d ei sp r o m i s i n gi na p p l i c a t i o n o fh i g hd e n s i t yi n t e g r a t i o no f g l a s s - b a s e do p t i c a lc h i p k e y w o r d s ：i n t e g r a t e do p t i c s ；g l a s s ；i o n - e x c h a n g e ；o p t i c a lw a v e g u i d e ； d o u b l e l a y e rb u r i e dw a v e g u i d e i v 致谢 此文完成之际，我也即将结束近三年的研究生生涯。在浙大这所美丽的校园 里学习生活了近三年的时光，诸多感慨，诸多留恋，片语难表。借此机会，感谢 一直陪伴、帮助和支持我的老师，亲人和朋友们。 首先要感谢我的导师郝寅雷副教授，感谢他一直以来对我的督促和指导郝 老师渊博的学识、严谨的科研态度和勤恳踏实的作风都深深的影响着我，是我今 后人生努力的方向在此感谢郝老师一直以来对我悉心的教导和全力支持，使我 能够在科研中克服重重困难，不断前进。 其次，感谢王明华教授，王老师的大家风范、气度和长远的眼光深深地影响 着我。王老师渊博的知识，丰富的人生阅历，积极的生活态度及宽以待人的处事 原则使我佩服不已，研究生期间我能够在王老师身边学 - - j 和工作深感荣幸 同时，感谢江晓清教授、杨建义教授、周强副教授、李字波老师这段时间在 学术上给予我的指导；感谢朱月莲老师、张国荣老师在器件工艺制作方面给我提 供的经验与帮助。 还要感谢郑伟伟博士、陈伟伟博士、杨冰博士、沈奥博士、向微硕士、江舒 杭硕士、谷金辉硕士、肖熠硕士、王宏建同学在课题理论和实验上的指导和帮助。 感谢肖思淼博士、赵勇博士、王皖君博士、魏玉欣博士、邱晨博士、喻平博士、 徐超博士、董少杰硕士、郭伟峰硕士、唐树明硕士、彭志鑫硕士、张鹏硕士在我 学 - - j 和生活中提供的帮助。特别要感谢郑伟伟博士和谷金辉硕士在我刚进入实验 室时手把手地教会我实验工艺。 感谢我的父母的养育之恩，感谢父母这么多年来对我无私的关怀和付出，没 有你们做坚强的后盾就没有我今天的成绩。 最后感谢评审此文的老师，谢谢你们的辛勤劳动 谨以此文向所有关心和帮助我的人们表示真诚的谢意! 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 本章介绍了课题研究背景及集成光学的发展现状和发展方向，并阐述了玻璃 基离子交换的基本原理与分类。在此基础上，重点介绍玻璃基三维波导器件的发 展现状，以及课题的研究内容和目标。 1 1 研究背景 1 1 1集成光学的产生和发展 随着社会的发展，人们对信息传递的方式提出越来越高的要求，从最初的烽 火传讯、飞鸽传书逐渐发展到近现代的电报、电话、通讯网络，直到目前的信息 技术时代，信息的传递速度和容量已经达到了非常高的程度与微波和无线电波 相比，光波的频率在1 0 1 4 1 0 1 5 h z 之间，具有更高的通信容量，信息通信的主要 载体也逐渐由电信号过渡到光信号。而光纤通信技术，作为光通信领域中的典型 应用，具有频带宽、容量大、中继距离长、保密性好、抗干扰能力强等优点，已 经成为世界通信市场的主力军。随着近十年光通信技术的飞速发展，全光通信时 代即将来临。 自从1 9 6 0 年美国人t h m a r m a n 发明了红宝石激光器【l 】以及六年后高锟博 士研制出第一根光纤【2 】开始，光通信开始步入实用化时代。1 9 7 0 年，贝尔实验室 成功研制出常温条件可连续工作的g a a l a s 双异质结半导体激光器，光纤通信所 用光源取得实质性的进展；同时康宁公司【3 】研制的“低损耗”光纤( 2 0 d b k m ) ， 极大地推动了光通信的发展。这两个突破为集成光学的长远发展奠定了基础，光 通信技术开始实用化随后不久，世界上第一条商用光通信线路在美国诞生 随着光通信技术的实用化，对于光通信中各个功能单元的需求随之产生，如 相应的发射单元、调制单元、分路和接收单元等。1 9 6 9 年，s e m i l l e r 提出了 “集成光学( i n t e g r a t e do p t i c s ) ”的概念【4 】，光波导成为集成光学器件的基本结构 从此之后展开了对光波导的研究，大量新技术、新材料应用与此在各种材料上 制造的器件主要可以分为：电光器件、光电器件、全光器件和无源器件 电光集成光学器件一般在较大电光系数的电介质材料上制造，通过施加电场 改变材料的折射率，从而实现器件的功能早期主要是采用t i 扩散或者质子交 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 换的工艺技术在l i n b 0 3 基片上制作光波导现在随着硅基光电技术的发展，电 光集成器件的主流逐渐成为利用载流子色散效应在s o i 上制作的集成波导器件 光电集成光学器件主要在半导体材料( 如磷化铟、砷化镓等三五族材料) 上 制造，通过离子注入、光刻等技术手段实现光学器件的功能。在该领域中，目前 主要的研究目标是研究一种实用性较高的技术，可以在同一块芯片上实现光学系 统与电子系统的集成。目前许多国家开展了大量的研究工作，取得了很好的进展， 使得这一领域充满光明的前景。 全光集成光学器件主要是利用非线性光相互作用，实现诸多器件功能，如光 调制器和光开光等，属于全光系统。在近几十年中，该领域发展迅猛，并促进了 半导体基微结构的研究和发展，如量子阱和超晶格等。另外，非线性聚合物具备 较大的非线性，引发了人们极大的兴趣，催生了大量的新想法、研究和实验。 无源集成光学器件在光通信领域中具有举足轻重的地位。从功能上看，目前 使用的光无源器件主要用来实现光通信中的光分路、光连接、光耦合、光开关、 波分复用、光衰减、光反射、光补偿、光滤波、光隔离等功能。其中传统的连接 器、耦合器、波分复用器( w d m ) 、光开关、光分路器、光纤光栅等器件将成为 下一代光纤通信系统中极其重要的无源器件，这些器件都是基于无源光网络技术 ( p o n ) 的f t t h ( f i b e rt ot h eh o u s e ) 中重要的组成部分目前，很多发达国 家在f t t h 的发展上已经取得了很大进展，国内也已经开始大规模的建设 1 1 2玻璃基离子交换技术的发展 玻璃在可见光和近红外波段具有很高的透过率，均匀性好，生产和加工技术 成熟，而且成本相对较低，成为传统光学系统中制作透镜和反射镜的首选材料 不仅如此，由于玻璃材料易于掺杂高浓度稀土离子，折射率与石英光纤匹配，并 可以通过离子交换技术方便地制作光波导，因此这种材料作为集成光学基片材料 在光电子领域的应用也受到越来越广泛的重视 在玻璃材料上制作波导有如下几种工艺技术【5 】。【1 3 1 ：溅射、化学气相沉积、 火焰水解、溶胶凝胶旋涂、离子注入和离子交换。表1 1 1 4 l 介绍了在玻璃基片上 各种波导制作工艺性能到目前为止，在这些技术中，离子交换技术具有成本低 廉、工艺稳定等优点这些优势决定了玻璃基离子交换技术具有广阔的发展前景 和市场需求 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 不同工艺技术生产的玻璃材料性能1 4 1 最初，离子交换技术用于玻璃的染色以及硬度改变1 9 7 2 年，t i z a w a 和 h n a k a g o m e 发表了一篇关于采用离子交换技术在玻璃基片上制作光波导的研 究论文【”】，标志着玻璃基集成光学技术研究的开始。自那时起，玻璃基离子交 换集成光学芯片的研究受到全球许多研究小组和企业界的持续关注【1 3 】- 【2 8 】：1 9 7 8 年g c h a t t i e r 首次用该工艺制作出了光波导器件，而在1 9 8 3 年，f i n d a r k l y 总结 了当时的各种离子交换波导技术和研究【2 9 1 ，从此在该领域的研究进展显著提升。 由于研究者们的持续努力，各种不同的玻璃基集成光学芯片制造工艺逐步发展， 这类芯片也逐渐从纯粹的实验室研究走向实际应用，并成功研制了各种器件，包 括功率分路合路器【3 0 】【3 4 1 、w d m 器件3 5 】【3 6 1 、传感器【3 7 】【3 8 1 、光放大器【3 9 】【删和波导 激光器【4 l 】【倒等 初期，玻璃基离子交换波导主要应用于多模波导和器件，而随着光通信技术 的发展，从上世纪9 0 年代开始，玻璃基离子交换波导开始向单模波导转变。此 后，玻璃基离子交换型单模波导器件的研发逐步走向成熟，并产生了许多商用化 的产品，如光分路器、光放大器等，如图1 1 所示 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( b ) e d w ag a i n so n 图1 1 商用化的集成光学器件( a ) 光分路器；( b ) 光放大器 虽然从本世纪开始，玻璃基离子交换技术制作波导的工艺条件趋于成熟，但 是它仍有许多值得研究的热点。如今，在二维平面领域，玻璃基离子交换型掺铒 波导放大器( e d w a ) 以及利用离子交换技术在玻璃中生成具有三阶非线性效应 的金属纳米颗粒等应用仍是人们关注的焦点。2 0 0 6 年，g d e l l a 通过离子交换技 术在掺铒玻璃上制造离子交换型有源波导，如图1 1 ( b ) 所示。与掺铒光纤放大器 相比它的体积更小、更加便于集成，其增益可以达到5 3 d b c m l 4 3 1 。2 0 0 9 年，y c h e n a 等人利用离子交换工艺在玻璃表面制备了银纳米颗粒，如图1 2 所示，利 用其波长吸收特性可以实现高灵敏度的传感】。 ( b ) 。一跹咖妒一s 谂= 熙裟 图1 2 离子交换制作银纳米颗粒示意图删 另外，在三维空间领域，利用离子交换技术实现三维集成的工艺研究和应用 正如火如荼的发展【4 5 】【4 6 1 ，这也是本文研究的方向。玻璃基三维集成研究的方向 之一为竖直方向的光功分器，其中采用离子交换技术制作的双层非对称y 分叉 光功分器的制作流程及其通光效果如图1 3 所示。 4 浙江大学硕士学位沦文 第l 章绪论 j l 卜叫地止划。咖 r 叫瓣勰出 二二口 r 一。一 f i l l , - 融m 蜘 ； 1 f 1 r , e n ef k l d - h j d d m t i m l y m 口l a y e rb - c h d 。 如，啊l n o a 图l - 3 双层非对称y 分叉光功分器的工艺制作流程图和近场通光图脚】 1 2 玻璃基离子交换技术的基本原理与分类 玻璃是一种非晶体。它经由原料熔融形成连续的网络结构，随着降温冷却粘 度逐渐增大进而硬化而不结晶，最后在常温下成为固态的玻璃。玻璃按主要成分 可以分为非氧化物玻璃和氧化物玻璃。常见的非氧化物玻璃以卤化物玻璃和硫系 玻璃为主；氧化物玻璃则有石英玻璃、钠钙玻璃、硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃等。 玻璃基离子交换所采用的玻璃一般为氧化物玻璃。常见的离子交换玻璃其内 部结构体按照氧化物的单键强度可以分为三类4 7 】【4 8 】： 第一类为网络形成体，这类氧化物的单键强度一般大于3 7 2 5 5 8 k j m o l ，较 强的单键强度使得氧化物本身就可以构成玻璃。因此网络形成体成为玻璃的主体。 这类氧化物主要有s i 0 2 ，b 2 0 3 以及p 2 0 5 等，也是各种氧化物玻璃中的主要成分。 第二类为网络中间体，其氧化物的单键强度在2 5 1 1 6 3 3 7 2 5 5 8 k j m o l 之间， 由一些不太活泼金属的氧化物构成，如t h o ，z n o ，p b o 等。此类氧化物虽不能 单独形成网络结构，但会影响网络结构的形成。 第三类为网络修饰体，其氧化物单键强度小于2 5 1 1 6 3 k j m o l ，包括一些活 泼金属形成的碱性氧化物，如n a 2 0 ，k 2 0 ，l i 2 0 等。它们不影响玻璃中的网络 结构，但会对玻璃的物理、化学性质产生影响。 常用于制作离子交换光波导的玻璃为硅酸盐玻璃，其主要成分为s i 0 2 ，氧 匡粤 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 原子与硅原子按照硅氧四面体的方式互相结合，形成最基本的结构单元，各结构 单元以顶角上的氧原子连接在一起形成空间配位网。由于硅氧四面体的单键很强， 形成的网络结构非常稳定，构成玻璃网络的主体。而玻璃中的其他氧化物，它们 的氧离子参加配位网结构，金属离子无确定位，占据网格间的空位。其中如z n 2 + 一类的强键能离子与氧离子紧密联系，因此相对稳定；而诸如n a + 一类的弱键能 离子却很容易发生移动，并以一定的配位关系分布在玻璃网络间隙中以n a 2 0 为例，其作用是使两个s i 0 2 四面体之间形成环的一个桥联氧离子被两个非桥联 的氧离子所代替，造成结构网中键位的局部断裂。同时，n a + 占据在非桥联的氧 离子附近的网格间隙中。 当玻璃处于高温环境中时，这些网络修饰体的阳离子由于键能较弱，具有较 高的迁移率，容易发生迁移或被替换通过一定的技术手段利用其他类似离子替 换它们就可以实现玻璃的物理化学特性的变化玻璃基离子交换技术，就是通过 这种方法来实现玻璃中特定区域的折射率变化，进而形成光波导的。 1 2 1玻璃基离子交换的机理 玻璃基离子交换技术是一种通过替换玻璃网络修饰体中的阳离子来实现玻 璃特定性能的技术。驱动交换的机制主要分为两种：一种是热扩散与非零迁移率； 另一种则是通过势能差引起的离子流向。这两种机制形成了离子交换的两种主要 方式：热离子交换与电场辅助离子扩散 ( 1 ) 热离子交换 在高温环境下，玻璃中存在着热扰动，同时因离子的非零迁移率、离子浓度 差及玻璃中n a + 较弱的键能，n a + 易从网格中脱离，并向玻璃外部扩散；另一方 面，外部环境中的待交换离子( 也称为源离子) ，也由于非零迁移率和浓度差向 玻璃内部扩散。两者的相互扩散形成了源离子和n a + 在玻璃网络中的局部交换。 常见的离子交换源主要有固态金属源和熔盐源，其交换机理均为通过交换源 提供自由移动的源离子与玻璃中的n a + 交换 固态金属源通常是在玻璃基片表面覆盖一层金属掩膜，高温下金属膜层的原 子变为离子与玻璃基片中的n a + 进行交换，但是采用该方式在玻璃周围缺少可供 n a + 填充的环境，交换效率低而熔盐源则通常是熔融状态的源离子金属盐，这 种方法在玻璃周围提供了可填充n a + 的环境，交换效率较高，成为玻璃基离子交 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 换技术的常用方式。 熔盐源的热离子交换的过程可以简单分为：含有n a + 的玻璃基片浸入含有源 离子( 与n a + 化学性质类似的离子，如a g + ) 的熔盐中，在玻璃和熔盐界面处， 两种离子的初始浓度迅速地从一定的值降为零，如图1 4 所示。处于非平衡状态 下的n 矿和a g + 之间几乎总是可以非常好的相互交换。因此，在界面处的扰动产 生了随机碰撞，一个a g + 取代一个n 矿，并且这一过程逐渐地从界面向基片内部 延伸。由于熔盐和玻璃的结构不同，在熔盐中的n a + 相对于玻璃中的a g + 可以更 加迅速地离开界面；而进入到玻璃中的a f 由于离子半径较大只能缓慢移动，最 后到达距离玻璃表面较近的区域。 塌挂旌她k l 图1 4 热离子交换原理示意图 ( 2 ) 电场辅助离子扩散 在实际光波导制作工艺中，为了更好地控制波导的折射率分布，通常采用外 部电场激发离子势能差的机制，使得源离子在电场作用下，进行迁移，加速源离 子与n a + 的交换过程。电场辅助离子扩散的机理如图1 5 所示，源离子和玻璃网 格中的n a + 离子在电场的作用下，沿电场方向替换进入下一个玻璃网格，如此传 递，直到玻璃基片最外沿网格的n a + 从玻璃中替换出来。电场辅助离子扩散过程 中，离子浓度的中心最大值在电场作用下从交换表面向玻璃内部偏移，如果有合 理的工艺参数，制作得到的波导将会很好地与光纤匹配同时采用电场辅助离子 扩散得到的光波导在掩埋方向上的边界是近似阶跃的4 9 】【5 0 】，对光的限制作用更 佳 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 螓盐 o 譬胃稚 碳 熔盐o n ：m a - f v o ：n a 图1 5 电场辅助离子扩散原理示意图 通常所说的玻璃基离子交换技术事实上包含了以玻璃材料与外界之间的离 子交换，以及玻璃材料内部的离子扩散与迁移为基础的一系列光波导制作技术， 包括热离子交换技术和电场辅助离子扩散技术等。典型的热离子交换技术是以外 界的阳离子a + ( 1 0 ，a 矿，c s + ，r b + ，l i + ，t 1 + ，等) 与玻璃中的阳离子b + ( 通常 是n a + ) 交换，阳离子a + 进入玻璃并在玻璃表面层形成扩散区由于该扩散区 的折射率较基片玻璃的折射率增大，作为波导芯层，与玻璃基体共同构成光波导 电场辅助离子扩散技术使离子交换形成的表面光波导的芯部在外加直流电场的 作用下产生漂移，并进入玻璃基片内部，形成掩埋式光波导 1 2 2玻璃基离子交换技术的分类与特点 玻璃基离子交换技术根据交换源离子、交换方式和工艺过程的不同能产生各 种特性各异的光波导或器件，以a g + 为源离子形成的掩埋式波导具有双折射效应 小、折射率差与光纤匹配、偏振不敏感等特点；以t l + 为源离子的离子交换适合 深度的掩埋，可以用于制作徽透镜【5 1 1 ；经过c u + 离子交换的玻璃具有光致发光效 应和非线性效应【5 2 1 ；含f e 2 + 的玻璃可以用来在玻璃中产生银纳米颗粒【5 3 】【5 4 1 ；含 有铒镱混合掺杂的玻璃可以用来制作有源波导，应用于放大器或者激光器【5 5 】【5 6 1 ； 碱金属玻璃会有较大的电导率和交换离子迁移率；热离子交换的表面波导，常用 于传感器的制作【5 刀；电场辅助离子扩散的掩埋型光波导，可以实现低损耗的光 器件【5 8 下面根据不同的交换分类方式详细介绍玻璃基离子交换的特点 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 一、按交换源种类分类 在交换源种类方面，相对于玻璃中可被交换的离子( 一般是n a + 和k + ) 而 言，交换源离子的种类就十分丰富，并且有各自的特点。根据离子交换波导的折 射率变化机理，制作光波导通常选用的交换离子有两种方向：一种是选用离子半 径比被交换离子大的金属阳离子，主要是依靠改变玻璃表面张力来增大玻璃表面 的折射率，如l i + 另一种是选用极化率比较高的金属离子，它们通过离子交换 改变玻璃特定区域的极化特性，进而改变该区域的折射率形成波导，如a 矿、k + 、 c s + 等。 ( 1 ) a g + a 矿n a + 交换是从离子交换技术问世至今研究和应用最为广泛的离子交换方 法。2 0 世纪8 0 年代这种技术被广泛应用于制作多模波导，制作方式多以固态离 子交换法实现。随着单模光纤的应用，a 矿n a + 离子交换技术曾经被忽视，直到 2 0 世纪末，单模波导的制作也开始转向a 矿n 矿离子交换工艺这是因为随着器 件小型化的趋势，相较于传统的l r n a + 离子交换单模波导技术，a 矿n a + 交换可 以引入更大的折射率差，波导折射率差可以达到o 1 ，更适合于制作小半径弯曲 波导，以及实现器件的小型化【5 9 】，同时它不具有心- n a + 离子交换波导带来的双 折射效应【4 7 1 。此外，a 矿- n a + 交换还具备交换温度低、交换工艺简单以及交换方 式多种多样等优点6 0 】【6 3 1 。 写 5 呈 吾 呈 一 图1 6 a g o 金属颗粒对光的吸收谱删 a g + n a + 交换最大的缺点是：银元素在玻璃中存在的形态并不止a g + 一种， 它容易得到电子形成金属形态的a g o ，从而引起光波导传输损耗的增加，并且随 着a g o 金属颗粒半径的增加，对光的吸收峰会产生红移，如图1 6 所示【6 4 】 9 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) k + 1 0 n a + 离子交换技术也是一种广受关注的交换技术。其优点是：k + n a + 离子 交换的离子源采用纯k n 0 3 ，无需调配熔盐组分，同时交换得到的光波导折射率 差与单模光纤相近，适合制作单模波导。 其缺点也比较显著：该交换引入的折射率差相对较小( 典型值是0 0 0 8 ) ，因 此只适合制作单模直波导，难以实现低损耗、小弯曲半径的弯曲波导；另外由于 混合碱金属效应，它在常规的钠钙型玻璃中迁移率较低，不适合制作掩埋型波导。 ( 3 ) t l + t 1 + 交换的历史最为悠久，是最早用于离子交换光波导制作的离子一19 7 2 年 i z a w a 和n a k a g o m e 的第一根离子交换光波导采用的便是t 1 + - n a + 交换t 15 1 。与a g + 类似，t l + 交换也能引入较大的折射率差( 可达到an = 0 1 ) ，并且可以实现深度 的掩埋，常用于光学微透镜的制作 但是该交换最大的缺点是，t l + 在气态时有毒，并且t l + 的迁移率较低，在熔 盐中交换的速度偏慢，极大地上限制了它的生产应用。 ( 4 ) l i + l i + - n a + 交换是离子交换工艺发展早期比较普遍的一种工艺手段，常用来制 作多模波导其优点在于：l i + 的迁移率很高，在短时间内能够达到预定的交换 深度。但是l i + 的离子半径与n a + 的离子半径相差较大，交换过程中在玻璃内部 引入的应力较大，容易导致玻璃基片发生损伤，且制作的光波导损耗较大 ( 5 ) c u + 利用c u + 交换制备玻璃波导是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种新兴离子 交换技术研究表明含有c u + 的玻璃具有较好的非线性光学效应和蓝绿发光特性 i s 2 ，对其深入研究与开发具有重要的意义此外c u + 离子交换还具有以下优点： c u + 的半径与n a + 比较接近，制作的器件双折射较小；c u + 波导的迁移率较低，在 高温下有较好的稳定性，适合于制作复合式波导 但是c u + n a + 交换的一个重要缺点是：c u + 在交换过程中，容易失去一个电 子形成c u 2 + ，进而导致光波导失去非线性效应因此，该技术需要探索稳定的 交换工艺 ( 6 ) c s + k + 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 c s + k + 离子交换是一种不常见的光波导制作技术6 5 】【鲫。针对这种技术， s c h o t tg l a s s w o r k e 专门开发了对应的玻璃材料b g g 2 1 6 5 】【鲫，从而可以制作出最 理想的单模波导：几乎无内部应力、低损耗( 0 i d b c r n ) 、良好的工艺可重复性、 可以方便地制作掩埋波导等。 但是这种交换技术的代价过高：含c s + 的熔盐化学性质一般比较活泼，能跟 许多材料发生化学反应，所以离子交换必须在白金等贵重金属制成的容器中进行， 再加上c s + 熔盐和特制玻璃的成本，导致此技术难以推广 二、按交换源的形态分类 离子交换从交换源的形态上可以分为液态离子交换和固态离子交换，它们在 交换的过程中虽然类似，却有本质区别【5 1 】【6 州6 9 1 液态离子交换如图1 7 ( a 、b ) 所示，即熔盐型离子交换。离子源是在一定 的温度下成为熔融态的盐。在熔盐中源离子被解放出来，具有自由移动性，在一 定的温度或外加电场的作用下，熔盐中的源离子进入玻璃基片，替换玻璃网格中 的n 矿，进而与玻璃基片形成光波导。 金域 无源熔盐 玻璃基片 甓高 玻璃鉴片 辅助电场 ( a )( b ) 图1 7 ( a ) 液态热离子交换( b ) 液态电场辅助离子扩散 而固态离子交换如图1 8 ( a 、b ) 所示，通常是以覆盖在玻璃基片表面的金 属膜( 如a g 掩膜等) 作为离子交换源，在较高的温度使金属离子化，然后在自由 热扩散或电场的作用下进入玻璃，形成波导。 潦金属 ( a )( b ) 图1 8 ( a ) 固态热离子交换( b ) 固态电场辅助离子扩散 玻璃臻片 辅助电场 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 相较而言，固态离子交换法可以得到具有更高折射率差的波导，常用于制作 多模波导，并且通过源金属掩膜的厚度可以精确控制离子交换波导的掩埋深度和 折射率【6 2 】。但是对源金属掩膜和电极接触要求较高，且金属掩膜必须保证隔绝 氧气，防止氧化。液态离子交换法可以实现与单模光纤更为匹配的单模波导，且 液态电极对空气形成了自然隔离，工艺要求较低。但目前尚未有与固态离子交换 法类似的精确控制工艺的方案。 1 3 玻璃基三维集成的发展 早在集成光学的概念提出之时，人们就一直努力减小器件的尺寸，在同一块 基片上集成更多的器件，提高集成度、降低成本，这通常可以通过增加光波导的 折射率差或者制作多层器件等方式实现。 通过制作多层器件实现三维集成不仅可以极大程度上提高集成光学芯片的 集成度，降低成本，同时也是实现新型器件的有效途径。目前，已经在玻璃【蛔【7 1 1 ， 聚合物材料【7 2 】上实现了三维集成。在玻璃基片上的三维器件又可以采用飞秒激 光脉冲直接书写【7 1 1 ( 如图1 9 所示) ，或采用离子交换法制作【4 6 1 ，后者主要利用 了在玻璃基体中光波导芯部在电场作用下的可迁移性。 三三一- t r a n s l a i n , 。l a l 三i = c u , n 1 1 卜睁 i o nar 图1 9 采用飞秒激光脉冲直写法制作三维集成波导装置图 目前已经有一些关于玻璃基片上多层光波导和光波导堆栈制作技术的报道。 1 9 9 2 年，p c n o u t s i o s 报导了采用k + n a + 离子交换技术制作的玻璃基竖直方向 上的方向耦合器【4 习；j e r o m eg r e l i n 采用a g + n a + 离子交换技术制作了玻璃基竖 直方向上的非对称y 分叉功率分束器( 图1 1 0 ) ，并对玻璃基深掩埋光波导制作 技术进行了探索【4 6 1 ，如图1 1 1 所示；l y d i eo n e s t a s 采用a g + n a + 离子交换技术制 t ， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 作了玻璃基竖直方向上的复用器和解复用器、光放大器【7 3 1 ，如图1 1 2 所示。 s i d ev i e wo u t p u tc r o s s s e c t i o l lv i e w 图1 1 0 竖直方向非对称y 分叉功率分束器【4 6 1 1 0 百1 5 苫 2 0 2 5 3 0圃 s u b s w a t e r r 百i _ 石1 再 x 扯m 】 百1 5 x 2 0 2 5 3 0 b c t t ) s t m m 占一言_ r 1 广1 志西 x i v m 】 图1 1 1 在波长x = 1 5 5 “r n ，堆栈波导间隔为2 0 9 m 时的模式振幅模拟【4 6 】 图1 1 2 含有竖直方向非对称y 分叉的集成光学光放大器 1 4 本文的研究意义及主要内容 r e s l d u a l p u r n pd c 埘e r - a m p l i f i e d s i g n a l 玻璃基离子交换技术制作的各种无源器件在用于f t t h 的无源光网络技术 研究中具有巨大的优势和广泛的应用。该工艺是制作光通信波导器件的一项重要 工艺，并且已经逐渐形成了成熟的技术方案，但是在玻璃基离子交换波导三维集 成的研究方面还存在一定的空白。随着社会