一种三维渐变光波导及其制备方法

技术领域

本申请涉及三维光波导领域，尤其是涉及一种三维渐变光波导及其制备方法。

背景技术

光电子器件正朝着小型化、集成化的方向发展。光波导技术是集成光电子器件的一种重要技术。借助半导体集成电路工艺，光波导制作技术蓬勃发展。光波导器件的一个重要性能在于光波导的光耦合效率。如何实现波导与光源、波导与光纤或不同波导间的高耦合效率，是现有技术的一个重点研究发现。

针对上述相关技术，发明人发现现有技术的光波导主要基于平面光波导工艺，光波导结构主要在二维平面上进行变化，难以实现三维的渐变光波导。其次，现有三维渐变光波导制备的方案中，三维渐变光波导的折射率差保持固定，限制了其耦合效率。

发明内容

为了改善现有三维渐变光波导折射率差保持固定导致其耦合效率不佳的缺陷，本申请提供一种三维渐变光波导及其制备方法。

本申请提供一种三维渐变光波导，采用如下的技术方案：

一种三维渐变光波导，设于玻璃衬底内部且形成为杆型件，所述三维渐变光波导的一端的尺寸大于所述另一端的尺寸。

通过采用上述技术方案，本申请通过优化了三维渐变光波导材料的结构，通过优化了三维渐变光波导的机构，使其形成一端尺寸与结构，由于两端尺寸不等的设计，有效改善了三维光波导材料的折射率的变化状态，从而能有效调节其耦合效率，通过改善光波导结构实现其控制和调整三维渐变光波导的耦合效果。

优选的，所述三维渐变光波导与玻璃衬底之间折射率差由三维渐变光波导一端至另一端逐步增大。

通过采用上述技术方案，本申请进一步优化了三维渐变光波导结构，通过渐变处理三维渐变光波导与玻璃衬底之间折射率差，实现三维的渐变光波导；同时渐变处理的设计，能进一步控制其渐变梯度，从而有效控制和调整三维渐变光波导的耦合效果。

第二方面，本申请提供了一种三维渐变光波导的制备方法，包括以下制备步骤：

S1、光波导图形设计：光波导图形设计采用光波导线宽渐变设计，光波导一端的尺寸大于所述另一端的尺寸；

S2、掩膜制作：将设计好的光波导图形转印至玻璃衬底上的掩膜中，作为离子交换阻挡膜中的光波导图形；

S3、热离子交换：将带有光波导图形掩膜的玻璃衬底浸入离子交换熔盐，制作表面光波导；

S4、电场辅助离子交换：在带有表面光波导的玻璃衬底两侧施加电场，表面光波导在电场的作用下掩埋进入玻璃衬底内，形成掩埋光波导。

通过采用上述技术方案，本申请进一步优化了三维渐变光波导的制备方法，通过先设计光波导图形，在进行掩膜制作和离子交换，使制备的三维渐变光波导具有良好的耦合效果。

优选的，步骤S1所述的光波导图形设计中，光波导一端至另一端的渐变曲线为线性、抛物线、正弦曲线或双曲线中的任意一种。

优选的，步骤S4所述的电场辅助离子交换步骤中，在玻璃衬底两侧增加温控装置，用于控制玻璃衬底内电场分布。

优选的，所述温控装置沿光波导的一端至另一端的方向控制温度递减，控温精度为0.1～2.0℃。

优选的，所述温控装置控制温度的递减曲线为线性、抛物线、正弦曲线或双曲线中的任意一种。

优选的，所述的温控装置位于玻璃衬底两侧的容器外壁或熔盐中，距离玻璃衬底的距离为1～30mm。

通过采用上述技术方案，本申请进一步优化了制备过程中的温度和参数，通过优化后的制备方案进一步改善了制备的三维渐变光波导材料的芯径渐变和折射率渐变结构，通过实现三维光波导材料的梯度渐变可控，有效控制了三维渐变光波导的耦合效果，同时还进一步通过温控有效调整了三维渐变光波导材料的结构。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

第一、本申请通过优化了三维渐变光波导材料的结构，通过优化了三维渐变光波导的机构，使其形成一端尺寸与结构，由于两端尺寸不等的设计，有效改善了三维光波导材料的折射率的变化状态，从而能有效调节其耦合效率，通过改善光波导结构实现其控制和调整三维渐变光波导的耦合效果。

第二、本申请进一步优化了三维渐变光波导的制备方法，通过先设计光波导图形，在进行掩膜制作和离子交换，使制备的三维渐变光波导具有良好的耦合效果。

第三、本申请进一步优化了制备过程中的温度和参数，通过优化后的制备方案进一步改善了制备的三维渐变光波导材料的芯径渐变和折射率渐变结构，通过实现三维光波导材料的梯度渐变可控，有效控制了三维渐变光波导的耦合效果，同时还进一步通过温控有效调整了三维渐变光波导材料的结构。

附图说明

图1为本申请的实施例1制备的光波导图形的俯视结构示意图；

图2是本申请的实施例1制备的光波导图形的侧视结构示意图；

图3是本申请的实施例1制备的光波导图形时二次交换时容器内部正视图；

图4是本申请的实施例1制备的光波导图形时二次交换完毕后的三维视图；

图5是本申请的实施例2制备的光波导图形时二次交换完毕后的俯视结构示意图；

图6是本申请的实施例2制备的光波导图形时二次交换完毕后的侧视结构示意图；

图7是本申请的实施例3制备的光波导图形时二次交换完毕后的侧视结构示意图；

图8是本申请的实施例3制备的光波导图形时二次交换完毕后的侧视结构示意图；

图9是本申请的实施例1制备的三维渐变光波导端截面扩散图；

图10是本申请的实施例1制备的三维渐变光波导输入端4mm处扩散图；

图11是本申请的实施例1制备的三维渐变光波导输入端7mm处扩散图；

图12是本申请的实施例1制备的三维渐变光波导输入端10mm处扩散图；

图13是本申请的实施例2制备的三维渐变光波导端截面扩散图；

图14是本申请的实施例2制备的三维渐变光波导输入端2mm处扩散图；

图15是本申请的实施例2制备的三维渐变光波导输入端5mm处扩散图；

图16是本申请的实施例2制备的三维渐变光波导输入端8mm处扩散图；

图17是本申请的实施例3制备的三维渐变光波导端截面扩散图；

图18是本申请的实施例3制备的三维渐变光波导输入端3mm处扩散图；

图19是本申请的实施例3制备的三维渐变光波导输入端4mm处扩散图；

图20是本申请的实施例3制备的三维渐变光波导输入端9mm处扩散图。

其中，1、第一温控装置；2、玻璃衬底；21、三维渐变光波导；3、第二温控装置；4、第一交换熔盐；5、第二交换熔盐。

具体实施方式

根据本发明实施例的三维光波导是本申请的发明人基于以下事实所作出的发明创造。

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

制备例1：按摩尔百分比为1:1:0.01，将硝酸钠、硝酸钙和硝酸银搅拌混合，制备得离子交换熔盐1。

制备例2：按摩尔百分比为1:1:0.001，将硝酸钠、硝酸钙和硝酸铊搅拌混合，制备得离子交换熔盐2。

制备例3：按摩尔百分比为1:0.3，将硝酸钠和硝酸锂搅拌混合，制备得离子交换熔盐3。

制备例4：第一交换熔盐与第二交换熔盐配方相同，均为：按摩尔百分比为4:3，将硝酸钠和硝酸镁搅拌混合。

实施例1

S1、光波导图形设计：光波导图形设计采用光波导线宽渐变设计，光波导宽度由左至右呈线性递减缩窄；输入端尺寸为输出端尺寸的1.1倍，呈线性渐变光波导；

S2、掩膜制作：将设计好的光波导图形转印至玻璃衬底上的掩膜中，作为离子交换阻挡膜中的光波导图形；

S3、热离子交换：将带有光波导图形掩膜的玻璃衬底浸入离子交换熔盐1中进行热离子交换，交换温度300℃，交换时间45min，在玻璃衬底上表面形成表面光波导，同时使用对应腐蚀液剥离掩膜；

S4、电场辅助离子交换：通过第一交换熔盐和第二交换熔盐施加到玻璃衬底上，在带有表面光波导的玻璃衬底两侧各1mm施加温控装置，温度为从上而下，在270～300℃之间以3℃±0.1℃/cm的变化线性递减到温控装置末端进行控温，形成掩埋光波导。

实施例2

S1、光波导图形设计：光波导图形设计采用光波导线宽渐变设计，光波导宽度由左至右呈弧线逐渐缩窄至中间最窄处，随后逐渐展宽至原输入端尺寸大小；输入端波导尺寸是输出端尺寸的20倍；

S2、掩膜制作：将设计好的光波导图形转印至玻璃衬底上的掩膜中，作为离子交换阻挡膜中的光波导图形；

S3、热离子交换：将带有光波导图形掩膜的玻璃衬底浸入离子交换熔盐2中进行热离子交换，交换温度380℃，交换时间15min，在玻璃衬底上表面形成表面光波导，同时使用对应腐蚀液剥离掩膜；

S4、电场辅助离子交换：通过第一交换熔盐和第二交换熔盐施加到玻璃衬底上，在带有表面光波导的玻璃衬底两侧各1mm施加温控装置，温度为从上而下，在270～320℃之间线以8℃±0.5℃/cm递减至4cm，再以4℃±0.2℃/cm递减到温控装置末端进行控温，形成三维渐变光波导。

实施例3

S1、光波导图形设计：光波导图形设计采用光波导线宽渐变设计，光波导宽度由左至右逐渐缩窄，输入端波导尺寸是输出端尺寸的5倍；

S2、掩膜制作：将设计好的光波导图形转印至玻璃衬底上的掩膜中，作为离子交换阻挡膜中的光波导图形；

S3、热离子交换：将带有光波导图形掩膜的玻璃衬底浸入离子交换熔盐3中进行热离子交换，交换温度345℃，交换时间60min，在玻璃衬底上表面形成表面光波导，同时使用对应腐蚀液剥离掩膜；

S4、电场辅助离子交换：通过第一交换熔盐和第二交换熔盐施加到玻璃衬底上，在带有表面光波导的玻璃衬底两侧各1mm施加温控装置，温度为从上而下，在260～320℃之间线以5℃±2℃/cm递减至4cm，再以8℃±2℃/cm递减到温控装置末端进行控温，形成抛物线渐变光波导。

性能检测试验

将实施例1～3制备的三维渐变光波导进行检测，检测结果如下所示：

以实施例1方法制备出的芯片，芯片总长为14mm，分别在距离输入端4mm、7mm、10mm处进行切割，切割完成磨抛完毕后，进行端面观察截面扩散图9～12。

以实施例2方法制备出的芯片，芯片总长为10mm，分别在距离输入端2mm、5mm、8mm处进行切割，切割完成磨抛完毕后，进行端面观察截面扩散图13～16。

以实施例3方法制备出的芯片，芯片总长为12mm，分别在距离输入端3mm、6mm、9mm处进行切割，切割完成磨抛完毕后，进行端面观察截面扩散图17～20。

由图9～20图纸来看，本申请制备的芯片的波导扩散均符合设计要求。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。