K_Na_和Ag_Na_两步离子交换技术制作玻璃基光波导研究

第37卷第8期2008年8月 光　子　学　报

ACTA P HO TON ICA SIN ICA

Vol.37No.8

August 2008

3

浙江省科学技术厅研究计划(2004C21049)和浙江省自然科学基金(Y105088)资助

Tel :0571********　Email :lixh @https://www.wendangku.net/doc/bb49625.html, 收稿日期:20070316

K +

2Na +

和Ag +

2Na +

两步离子交换技术制作

玻璃基光波导研究

3

李锡华1,金宁2,宫汝振1,杨建义1,江晓清1,王明华1

(1浙江大学信息与电子工程学系,杭州310027)

(2中国计量学院信息分院,杭州310018)

摘　要:利用K +2Na +和Ag +2Na +两步离子交换得到掩埋型光波导.该方法抑制Ag +2Na +离子交换时产生的Ag +微粒,降低波导损耗,增加波导截面的圆对称性,从而提高光波导器件的性能.用该方法制作了1×8光功分器,其插入损耗平均为10.9dB.关键词:集成光学;玻璃光波导;离子交换;光功分器中图分类号:TN252 文献标识码:A 文章编号:100424213(2008)082152024

0　引言

在玻璃基集成光学器件的制作中,离子交换工艺应用已经越来越广泛[122].在各种交换工艺中,K +2Na +和Ag +2Na +交换是两种最常见的离子交换技术,这两种技术可谓各有利弊.本文研究试图将两种技术结合起来,使其优势互补,从而制作出性能较好的光波导.

Ag +2Na +一次离子交换制作玻璃波导的缺点之一是得到的波导损耗较大.其原因是交换过程中Ag +离子会还原成Ag 原子,并结合成小的Ag +微粒,淀积在玻璃波导的表面.淀积的Ag +微粒越大,谐振波长越长,形成的吸收和散射而引起的损耗就越大,损耗主要集中在谐振波长附近.在Ag +离子交换的波导中,白光由于吸收往往会转变成黄光或橙光,有时对可见光甚至是不透明的,这种波导对光通讯波段的红外光往往也具有较大的损耗.Ag +微粒的产生受玻璃衬底和金属掩膜影响,Ag +离子在玻璃表面容易聚集形成微粒,特别是在接触到铝等金属掩膜时,因为掩膜金属的还原性使得Ag +离子还原成Ag 原子,并在玻璃表面靠近金属掩膜的地方聚集成微粒.曾有人试图用还原性较弱的介质掩膜制作波导,然而这种掩膜很难制作和清除[324].

本文用B K7玻璃材料做衬底,采用K +2Na +和Ag +2Na +两步离子交换制作光波导.在进行Ag +交换之前,先进行K +交换得到一层很薄的富K +离子薄层,该富K +离子薄层必须足够薄从而不能形成平板波导,然后再利用铝掩膜进行Ag +

2Na +

交换.由于玻璃材料的Na +离子比例本来就较小,K +2Na +交换后玻璃表面的Na +离子大部分被K +离子

取代,所以Ag +2Na +交换后,浅表面的Ag +离子较少,从而避免了Ag +离子与金属掩膜接触还原为Ag +原子.这种工艺的另外一个优点是:由于K +离

子在玻璃内的迁移率很小,玻璃表面的富K +离子薄层可以抑制Ag +离子沿玻璃表面的横向扩散,而主要进行纵向的扩散,这样Ag +离子的最大浓度位于富K +离子薄层的下面,并且Ag +离子产生的折射率变化往往远大于K +离子产生的折射率变化,这样可以得到接近圆形的折射率分布,从而更容易与光纤耦合[5].

1　理论依据和交换效果模拟

实验采用B K7玻璃材料做衬底(其成份见表1),用K +2Na +和Ag +2Na +两步离子交换制作波导.在进行K +2Na +交换时需要控制合适的温度和时间,

表1　BK 7玻璃组分

玻璃组分

SiO 2K 2O Na 2O B 2O BaO CaO MgO Al 2O 3氧化物比例(Wt %)69.68.408.409.90 2.500.0740.070.04

使得富K +离子薄层发挥较大作用,同时又不能过厚形成平板波导.K +扩散深度可用式子d =A (D e ×

t )

1/2

计算,其中D e 是有效扩散系数,t 是交换时间,

A 是常量.D e 与温度T 有关

D e =C 1×exp (-C 2/T )

(1)

式中,T 是绝对温度,C 1和C 2是常量.K +2Na +交换温度为400℃,此温度下K +的有效扩散系数D e =0.134μm 2/min [6],控制交换时间即可得到合适厚度的富K +离子薄层.

K +2Na +交换之后光刻得到金属掩膜,进行Ag +2Na +离子交换,此时可以认为富K +离子薄层

并没有变化,这是由于Ag +2Na +交换的温度大大低于K +2Na +交换的温度,实验中采用温度为320℃.

如果交换源用纯的硝酸银(熔点208℃

),交换温度可以更低,但是纯硝酸银不容易得到低损耗的光波

8期

李锡华,等:K +2Na +和Ag +2Na +两步离子交换技术制作玻璃基光波导研究

导,因此实验中将硝酸银与硝酸钠(熔点307℃

)混合,这样选择交换温度为320℃.该温度下,可以认为K +离子几乎是不动的.根据K +离子在385℃和440℃的有效扩散系数[728],可以算出K +在320℃时的有效扩散系数为0.0092μm 2/min ,这是其在400℃的1/15.同时,320℃K +离子的有效扩散系

数是Ag +离子的1/9,说明相对于Ag +离子的扩

散,在Ag +2Na +离子交换过程中K +离子可以被认为是静止不动的.

根据理论计算,K +2Na +交换后K +扩散层中K +离子的分布满足余误差分布,假设玻璃表面的Na +离子完全被K +离子交换,随着深度增加K +离子的浓度满足[9]

C (x )=C 0erfc (x/2

D ×t )

(2)

式中C 0是表面处的K +离子浓度(即原片中的Na +离子浓度).根据余误差函数

erfc (x )=2π∫∞x

e -t 2

d t

可以计算得到K +离子导致的折射率分布如图1(a )

(折射率与离子浓度分布成正比).K +2Na +交换后利用光刻技术制作金属掩膜,未被金属掩膜覆盖的波导区域进行Ag +2Na +离子交换,如果不存在富K +离子薄层,Ag +离子的经验分布公式[10]应满足

C (x ,y ,t )=C 0exp (-y 2d 2y )[erfc (

w +x

d x

)+erfc (

w -x

d x

)](3)

式中,w 是波导的半宽.存在富K 离子薄层后,接近玻璃片表面部分的Na +离子被K +离子交换掉,Ag +离子只能与剩余的Na +离子交换,这样Ag

+离子的最大浓度应该在玻璃片表面下一定深度处,其分布模拟结果见图1(b ).

经过两步离子交换后,虽然表面处K +离子的浓度大于Ag +离子的最大浓度,但是由于Ag +离子产生的折射率差远大于K 离子,最终仍能得到掩埋型的光波导.其折射率差分布如图1(c ).

图1　离子交换导致的折射率分布

Fig.1　Index profile induced by ion 2exchange

2　实验结果与讨论

实验中先制作富K +离子薄层:将玻璃基片置于400℃的纯硝酸钾融盐中交换45min ;然后在基片表面上淀积金属掩膜(Al ),光刻得到波导图形,在320℃的硝酸银和硝酸钠混合融盐(1∶10摩尔比)中进行Ag +2Na +离子交换;片子端面抛光后去掉Al 掩膜即可进行观察和测试.K +2Na +交换时应选取合适的交换时间以保证不产生平板波导,否则输入光场后容易产生较强的能量泄漏.实验中交换时间达到60min 时,已形成平板波导,经过试验选定K +2Na +交换时间为45min ,这样既不会产生平板波导,又能较大限度的发挥富K +离子薄层的作用.

光学显微镜下,片子表面如果没有富K +离子薄层时,能观察到明显的Ag +线,如图2(a ).具有富K +离子薄层时Ag +线可以大大减弱,甚至消除,见图2(b ).在可见光谱范围内

,观察片子的端面,能看

到波导已经具有一定的掩埋深度.用光纤输入

1.55μm 红外光时,观察到的近场光斑较圆(如图3),

从而说明波导具有一定掩埋深度,波导截面呈现较

1

251

光　子　学　报37卷

好的圆形结构.

波导边缘处Ag +微粒的消除主要是因为玻璃表面的富K +离子薄层中Ag +离子的浓度较小,避免了Ag +离子还原为Ag 原子,积聚为Ag 微粒.由实验结果显示,波导端面基本呈现圆形的折射率分布,富K +离子薄层抑制了Ag +离子沿玻璃表面的扩散,对波导横向尺寸具有一定的限制作用.以上现象说明富K +离子薄层能够限制波导的横向尺寸,而使Ag +离子主要进行深度方向的扩散,实验中的Al 掩膜的波导宽度约为6μm ,交换后波导宽度12μm ,可得波导横向单侧的扩展尺寸为3μm ,而纵向扩散深度为9μm ,可见波导横向小于深度方向的扩展尺寸,验证了富K +离子层的阻挡作用.

用本工艺进行了1×8光功分器的实验制作,功分器采用Y 分叉级联结构,交换完成后经过切、磨,断面抛光,用1.55μm 红外光进行测试,得到的输出光点如图41可以看出,输出光点在表面以下,说明波导已被埋入玻璃内部.各输出光的插入损耗见表2,计算得到平均插入损耗为10.9dB ,均匀性为0.7dB ,整个器件的附加损耗为1.86dB ,可见制得

的波导的损耗较小,均匀性较好

.

图4　制作的1×8光功分器的输出近场光斑

Fig.4　Output optical dot of 1×8splitter

表2　各通道输出光的插入损耗/dB

CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH810.7

10.6

10.8

10.8

10.9

11.2

11.3

10.9

要进一步改善波导的性能,可以对片子增加一些辅助工艺,比如:1)对片子进行退火处理,可以修正折射率分布,改善波导的圆对称性,降低波导的传输损耗和与光纤的耦合损耗;2)进行Na +2Ag +反交换,降低玻璃表面的折射率;3)进行电场辅助交换以进一步增加波导的掩埋深度等.

3　结论

用K +2Na +和Ag +2Na +两步离子交换技术可

以制作掩埋型玻璃光波导,靠近表面的富K 离子薄层抑制了Ag +离子的横向扩散,使得波导的截面结构接近圆形,这样有利于波导与光纤的低损耗耦合.用该技术制得的1×8玻璃光功分器其平均插入损耗为10.9dB ,均匀性为0.7dB.

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8期李锡华,等:K+2Na+和Ag+2Na+两步离子交换技术制作玻璃基光波导研究

3251

Optical W aveguide B ased on G lass by T echnology of

K+2N a+and Ag+2N a+Tw o2step Ion2exchange

L I Xi2hua1,J IN Ning2,GON G Ru2zhen1,YAN G Jian2yi1,J IAN G Xiao2qing1,WAN G Ming2hua1 (1Department of I nf ormation S cience and Elect ronic Engineering,Zhej iang Universit y,H angz hou310027,China) (2College of I nf ormation Engineering,China J iliang Universit y,H angz hou310018,China)

Received date:20070213

Abstract:A buried waveguide was obtained by t he two2step of K+2Na+and Ag+2Na+ion2exchange.This met hod can rest rain t he growt h of silver clusters appearing during t he p rocess of Ag+2Na+ion2exchange, and t hen t he lo ss of waveguide can be reduced.In t his case t he symmet ry of waveguide section and t he performance of optical devices can be imp roved.A1×8optical splitter is fabricated,it s average insert loss is10.9dB.

K ey w ords:Integrated optics;Optical waveguide based on glass;Ion2exchange;Optical splitter

L I Xi2hu a　was born in1962.He obtained t he B.S.degree and M.S.degree in1983and1986

f rom Zhejian

g University respectively.His researc

h interest s focus on optoelect ronics and

integrated optics.