引用本文
郑斌, 郝寅雷, 李宇波, 杨建义, 江晓清, 周强, 王明华. 玻璃基掩埋式光波导堆栈的制作与表征. 无机材料学报, 2012, 27(9): 906-910
ZHENG Bin, HAO Yin-Lei, LI Yu-Bo, YANG Jian-Yi, JIANG Xiao-Qing, ZHOU Qiang, WANG Ming-Hua. Manufacturing and Characterization of Buried Optical Waveguide Stack in Glass Substrate. Journal of Inorganic Materials, 2012, 27(9): 906-910  
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玻璃基掩埋式光波导堆栈的制作与表征
郑斌, 郝寅雷, 李宇波, 杨建义, 江晓清, 周强, 王明华
浙江大学 信息与电子工程学系, 杭州310027

郝寅雷, 副教授. E-mail:haoyinlei@zju.edu.cn

郑斌(1988-), 男, 硕士研究生.

基金:国家自然科学基金(60977043); 浙江省自然科学基金(Y1100665);
摘要

在硅酸盐光学玻璃基片上制作了光波导堆栈, 这种光波导堆栈通过Ag+/Na+熔盐离子交换和电场辅助离子扩散技术顺次制作了两层掩埋式光波导. 对光波导堆栈的横截面显微结构进行了观察, 并对堆栈中两层波导的损耗特性进行了测试. 所获得的光波导堆栈中的上、下两层波导芯部分别位于玻璃表面以下14和35 μm处; 上层光波导芯部尺寸约为12 μm×7 μm; 下层光波导芯部尺寸约为9 μm×8 μm. 通光测试显示两层波导在1.55 μm工作波长下均为单模光波导, 且两者之间没有相互耦合. 损耗测试分析结果显示: 堆栈中两层光波导的传输损耗均约为0.12 dB/cm,与单模光纤之间的耦合损耗分别为0.78和0.73 dB. 分析表明, 这种光波导堆栈在玻璃基集成光芯片的高密度集成方面具有很好的应用前景.

关键词: 玻璃; 离子交换; 光波导; 堆栈
中图分类号:TN252   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)09-0906-05
Manufacturing and Characterization of Buried Optical Waveguide Stack in Glass Substrate
ZHENG Bin, HAO Yin-Lei, LI Yu-Bo, YANG Jian-Yi, JIANG Xiao-Qing, ZHOU Qiang, WANG Ming-Hua
Department of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Fund:National Natural Science Foundation of China (60977043); Natural Science Foundation of Zhejiang Province (Y1100665);
Abstract

On silicate optical glass substrate, buried optical waveguide stacks were obtained. The stacks were composed of two layers of buried optical channel waveguide at different depth beneath the glass substrate surface, and each layer was manufactured by thermal Ag+/Na+ ion-exchange and field-assisted ion-diffusion. Microstructure of the optical waveguide chips was observed with optical microscope, and insertion loss of each layer in waveguide stacks is measured. Results show that the buried waveguide stack is composed of two layers of buried waveguide with their core center located at 14 μm and 35 μm, respectively. Beneath the glass surface, core dimension of top layer and bottom layer waveguide are 12 μm×7 μm and 9 μm×8 μm, respectively. Waveguides in both layers are single mode at operating wavelength of 1.55 μm. There is no directional coupling observed between waveguides at different layers. Insertion loss characterization indicates that propagation loss of both layers in the stack is 0.12 dB/cm, and coupling losses with single mode fiber are 0.78 dB/facet and 0.73 dB/facet, for top and bottom layer waveguides, respectively. The analysis suggests that this kind of optical waveguide stack is promising in application of high density integration of glass-based optical chip.

Keyword: glass; ion-exchange; waveguide; stack

硅酸盐光学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透镜和反射镜制作的首选材料. 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集成光波导芯片, 因此玻璃作为集成光学基片材料在光电子领域的应用受到越来越广泛的重视[ 1, 2]. 1972年, Izawa和Nakagome首次采用离子交换技术在玻璃基片上制作了光波导[ 3]. 自此, 离子交换玻璃基集成光学芯片的研究受到持续关注, 得到迅速发展. 研究者们在光波导制作的相关模型[ 4, 5]和离子交换技术[ 6, 7]方面进行了大量基础性的研究工作, 并且制成了功分器[ 8]、MZ干涉仪[ 9]、环形谐振腔[ 10]等无源器件, 以及激光器和光放大器等有源器件[ 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. 玻璃基集成光学芯片制造技术逐渐发展成为一种集成光学芯片生产的主流技术, 这种芯片也已经从实验室研究走向实际应用, 并在光通信和光传感网络中表现出性能和成本方面的独特优势.

通常所说的玻璃基离子交换光波导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(TIE)和电场辅助离子扩散技术(FEID)等. 典型的热离子交换技术是以外界的阳离子A+(K+、Ag+、Cs+、Rb+、Li+、Tl+等)与玻璃中的阳离子B+(通常是Na+)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. 利用在玻璃基体中光波导芯部在电场作用下的可迁移性, 可以在玻璃基片上制作多层波导, 形成光波导堆栈. 光波导堆栈的制作不仅可以提高集成光学芯片的集成度, 降低成本, 也是实现新型集成器件制作的有效途径.

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. Noutsios采用K+/Na+离子交换技术制作了玻璃基竖直方向上的方向耦合器[ 18]; Onestas采用Ag+/Na+离子交换技术制作了玻璃基竖直方向上的复用器和解复用器[ 19]; Grelin 对玻璃基深掩埋光波导制作技术进行了探索[ 20]. 然而, 截至目前, 现有关于光波导堆栈的报道中, 双层光波导都采用了相同或相似的结构形式, 即下层是掩埋式波导, 上层是表面光波导. 上、下两层光波导的传输特性和耦合特性存在明显差异. 如果光波导堆栈的上、下两层波导都是掩埋式光波导, 这两层光波导的一致性会更好. 本工作采用离子交换技术对在硅酸盐玻璃基片上制作的掩埋式波导堆栈进行了研究, 并对这种光波导堆栈的损耗特性进行了表征.

1 实验

光波导堆栈芯片采用集成光学专用玻璃材料(SiO2-B2O3-A12O3-R′O-R2O体系, 其中R′=Ca、Mg; R=Na、K)制作, 其中碱金属氧化物含量约为18wt%. 玻璃材料采用光学玻璃电熔工艺制作．熔制好的玻璃经过精密退火后, 经切割和双面研磨抛光加工成尺寸为φ76.2 mm×1.2 mm圆片.

玻璃基片上掩埋式光波导堆栈制作的流程如图1所示, 通过顺次制作两层掩埋式光波导. 其中每层掩埋式光波导都通过一次熔盐热离子交换和一次电场辅助离子扩散形成. 熔盐热离子交换和电场辅助离子扩散过程的技术方案可参见文献[ 6], 这里不重复叙述. 选择Ag+为掺杂离子, 主要考虑到Ag+和Na+的离子半径接近(分别为113 pm和95 pm), 因此它在玻璃中扩散系数较大, 而且Ag+/Na+离子交换在玻璃材料中产生的折射率变化可以通过改变玻璃组分和离子交换条件很方便地在较大范围内(0~0.1)进行调节.

图1 掩埋式光波导堆栈的制作流程Fig.1 Flowchart of buried optical waveguide stack manufacturing on glass substrate

离子交换引起的玻璃材料的折射率变化可以根据HSD模型[ 21]计算.

其中: Δ R是离子交换引起的折射度的变化, Δ V表示离子交换引起的体积参数的变化. R0和 V0分别是离子交换前玻璃的折射度参数和体积参数. χ是离子交换程度.

光波导堆栈制作过程中的关键之一是实现上、下层掩埋式光波导芯部折射率变化和尺寸的相互匹配. 这种匹配通过调整下层(底层)光波导和上层(顶层)光波导制作过程的工艺参数实现. 表1列出了光波导堆栈中的下层波导和上层波导的制作工艺参数. 由于下层光波导的芯部(Ag+离子掺杂区)在光波导堆栈制作过程中经历更长的离子热扩散过程, 其横向尺寸发生更大程度的展宽, 所以通过减小下层波导形成过程中的离子交换窗口宽度限制其横向尺寸, 并相应提高离子交换熔盐中Ag+的浓度保证离子交换过程中进入玻璃基片的Ag+离子总量.

表1 硅酸盐玻璃采用Ag+/Na+离子交换制备光波导堆栈的技术参数 Table 1 Waveguide stack manufacturing parameters by Ag+/Na+ ion exchange on silicate glass substrate

光波导堆栈中上、下两层光波导之间的相对位置通过在上层光波导掩膜制备过程中采用标准的套刻技术实现.

制作完毕的玻璃基片切割成长度为20 mm的光波导芯片, 对其端面经过研磨、抛光后进行分析测试. 光波导堆栈的端面结构采用Nikon Eclipse LV100显微镜在透光模式下观测; 采用日本骏河精机(SURUGA SEIKI)光纤光波导对准系统, 采用端面耦合的方式在光波导芯片的输入端用单模光纤将波长为1.55 μm的激光输入; 在光波导芯片输出端用近红外CCD相机观测输出端光学图像; 光波导的插入损耗也采用该系统, 在输出端采用单模光纤以端面耦合的方式将信号输出到光功率计, 测试光波导堆栈中上、下两层光波导的插入损耗.

2 结果与讨论

图2给出了实验获得的光波导堆栈芯片在光学显微镜透光模式下的端面显微结构图像. 从图2可以看出, 在玻璃基片内部, 有两个D形的高亮度区域, 上下两个高亮度区域的中心到玻璃表面的距离分别为14 μm和 35 μm. 这两个区域对应于离子交换和电场辅助离子扩散在玻璃基片中形成的Ag+离子掺杂区(条形光波导的芯部), 其高亮度源于条形光波导对显微镜照明光源的波导效应. 实验表明, 光学显微照片与电子显微照片的观测结果有很好的对应关系[ 6]. 从图中可以看出, 光波导堆栈中的下层光波导的水平方向和竖直方向的尺寸(以扩散区与背景之间亮度差减小为最高亮度差的1/e2界限估算)分别约为9 μm和8 μm; 上层波导对应尺寸约为12 μm和7 μm. 可以看出, 光波导堆栈中的上、下两层光波导的截面尺寸与单模光纤的芯径(大约 9 μm)有较好的匹配关系.

图 2 掩埋式光波导堆栈横截面显微结构Fig. 2 Microscopic image of buried optical waveguide stack cross section

图3分别给出了上、下两层光波导输出端的光斑图像. 通光过程中, 通过光纤调节架微调输入光纤与堆栈中的上、下两层光波导的相对位置, 改变输入光的激发条件, 输出光斑仅发生亮度变化, 而不发生形状变化, 说明对于波长为1.55 μm的输入光, 两层光波导均为单模光波导. 对不同长度的光波导进行观察, 未发现上、下层波导之间的相互耦合.

图3 掩埋式光波导堆栈输出光斑Fig. 3 Output optical pattern of buried waveguide stack (a) Top waveguide; (b) Bottom waveguide

对光波导堆栈中的上层波导和下层波导的插入损耗特性进行了测试. 结果表明, 上层波导和下层波导的插入损耗分别为(1.79±0.13) dB和(1.70±0.14) dB; 上层波导的插入损耗平均比下层波导插入损耗高大约0.09 dB. 图4给出了光波导堆栈中上、下两层光波导插入损耗的统计结果, 以及对应上、下两层波导之间插入损耗之差的统计结果.

图4 光波导堆栈中上层波导和下层波导的插入损耗(a)及其两者差值(b)统计Fig. 4 Statistics results of insertion losses (a) and the corresponding difference (b) of top and bottom layer waveguide in optical waveguide stack

离子交换玻璃基光波导属于渐变折射率波导, 不存在光波导侧壁上的散射损耗, 从理论上讲, 其传输损耗的来源仅仅包括玻璃材料本身的吸收以及玻璃材料内部缺陷的散射. 而源于这些因素造成的损耗对于上层波导和下层波导应该具有相同的数值. 通过对不同长度的光波导堆栈插入损耗性能的测试与统计, 结果表明上、下两层光波导的传输损耗均为0.12 dB左右, 且这一损耗值与单层光波导的传输损耗(约0.10 dB/cm[ 19])接近. 据此可以推算, 上层波导和下层波导与单模光纤的耦合损耗分别是 0.78 dB/facet和0.73 dB/facet. 两者之间的差异源于上、下层波导的模场与光纤模场匹配程度的差异.从图2中可以看出, 下层光波导的截面尺寸与光纤芯部具有更高的匹配度.

研究发现, 光波导堆栈的制作过程中, 上层光波导形成过程中的离子扩散速度会受到下层光波导影响. 为了估算这种影响的大小, 利用掩膜的辅助, 在同一块玻璃基片上制作了如图5所示的两种波导结构: 光波导堆栈芯片(a), 下层为平板波导, 上层为条形波导; 光波导芯片(b), 仅有一层条形波导, 与(a)中的上层波导同时制作. 选择(a)的下层为平板波导的原因是排除下层为条形光波导情况下的尺寸效应以及套刻精度的影响. 从图5中可以看出: 经历相同的离子交换和电场辅助离子扩散过程, 若以Ag+浓度最高点与玻璃表面的距离为光波导的深度, 那么(a)中光波导的深度约为14.5 μm; (b)中光波导的扩散深度约为16.6 μm. 可以估算, 由于下层波导形成过程中Ag+离子在其漂移路径上的痕量残余, 上层波导在电场作用下的漂移速度大约减小了13%. 对于包括多层光波导堆栈的制作, Ag+在电场作用下的漂移速度可能会进一步减小, 因此可能会成为限制光波导堆栈层数的一个重要因素. 这部分研究工作尚在进行中.

图5 对比实验的光波导堆栈(a)和光波导(b)端面显微图像Fig. 5 Microscopic image of optical waveguide stack (a) and optical waveguide (b) chips

3 结论

采用热离子交换和电场辅助离子扩散拔术, 在玻璃基片上制作了由两层掩埋式条形波导构成的光波导堆栈. 分析测试结果表明, 光波导堆栈中的两层光波导均为单模光波导, 上、下两层光波导的芯部尺寸与单模光纤芯径基本匹配, 且传输损耗一致. 研究结果表明, 在光学玻璃基片上可以通过离子交换技术实现掩埋式光波导堆栈的制作, 有效提高玻璃基集成光学芯片的集成度.

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