一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导制造技术

本发明专利技术公开了一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导。在玻璃上表面设有平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层，玻璃上表面的离子扩散区作为条形光波导芯部，离子扩散区一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层中，另一部分位于玻璃中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域；位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层中的离子扩散区的折射率高于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层的折射率，位于玻璃未掺杂铁磁金属纳米颗粒区域中的离子扩散区的折射率高于玻璃中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域的折射率。本发明专利技术解决了基于磁光非互易相移原理的光波导的难题；解决了磁光材料的光学参数与玻璃光学参数之间匹配的难题，同时避免了磁光材料的与基片之间结合的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导
本专利技术涉及集成光器件，具体涉及一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导。
技术介绍
基于离子交换技术的玻璃光波导器件具有成本低廉、工艺简单、传输损耗低、PDL（偏振相关性）小、制作容差性大、可批量生产等显著特点，在集成光学器件中获得广泛使用。玻璃基光波导器件一般采用离子交换技术制作。离子交换过程中，玻璃基片中的一价阳离子（通常是Na+）与含有可提高玻璃折射率的离子（譬如K+，Ag+、Tl+、Cs+、Li+或Rb+）的熔盐进行离子交换，熔盐中的可提高玻璃折射率的离子进入玻璃基片并在玻璃基片中形成扩散区，该扩散区比玻璃基片具有较高的折射率，作为波导的芯部，与玻璃基片共同构成光波导。受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在集成光学芯片上磁光功能的集成变成一个新兴的研究热点，玻璃基片上的集成型磁光器件也因此受到了极大关注。磁光光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。玻璃基磁光波导片磁光波导的制作主要有两条途径。第一条途径是用激光直写法和离子交换法在磁光玻璃基片1上制作高折射率区2，形成波导（如图1所示）。这条途径实现可以在磁光玻璃基片1中实现光波导的制作，但这种光波导很难实现集成光器件所需的磁光功能。主要是这类方法制作的磁光波导都基于TE-TM模转换的原理。在光波导中这种TE-TM模的有效转换要求光波导TE模和TM模之间传输常数很高程度的匹配，而激光直写技术和离子交换技术在平面光波导中实现这种匹配得不到保证。玻璃基片上实现磁光波导制作的二条途径是首先在玻璃基片3上形成离子扩散区4，然后在离子扩散区4一侧引入磁光材料层5（譬如YIG晶体），即通过制作复合光波导实现磁光功能。这种光波导的横截面结构如图2所示。这条途径制作的磁光波导基于非互易相移的原理，避免了TE模和TM模之间传输常数匹配的难题。然而，这种途径依然面临两个挑战：其一，为了实现波导中较大的非互易相移，要求磁光材料层5的光学参数与玻璃基片3光学参数之间的匹配。其二，需要解决磁光材料层5与玻璃基片3之间结合的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术在玻璃基片上表面设有平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层，玻璃基片上表面的离子扩散区作为条形光波导芯部，离子扩散区包括两部分：一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层中，另一部分位于玻璃基片中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域；位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层中的离子扩散区的折射率高于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层的折射率，位于玻璃基片未掺杂铁磁金属纳米颗粒区域中的离子扩散区的折射率高于玻璃基片中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域的折射率。所述玻璃基片其材料为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃或者磷酸盐玻璃。所述形成离子扩散区的离子为K、Ag+、Tl+、Cs+、Li+或Rb+离子。所述铁磁金属纳米颗粒掺杂层中的铁磁金属为Fe、Co或Ni。本专利技术具有的有益效果是：原理上讲，铁磁金属纳米颗粒掺杂层具有很高的磁光活性，因此，器件的尺寸可以大幅度减小。不仅如此，这种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导解决了基于磁光非互易相移原理的光波导的技术难题：平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层在玻璃基片中产生，因此解决了磁光材料的光学参数与玻璃基片光学参数之间匹配的难题，同时避免了磁光材料的与玻璃基片之间结合带来的技术难题。这种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导的制备过程可以通过常规的工艺即可实现，具有传统的离子交换工艺的优点。附图说明图1是采用离子交换法在磁光玻璃基片1中制作的光波导横截面结构示意图。图2是通过在玻璃基片3上通过引入磁光材料层5制作的复合光波导横截面结构示意图。图3是本专利技术的含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导横截面结构示意图。图4是本专利技术的含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导的主要制作步骤示意图中：1、磁光玻璃基片；2、高折射率区；3、玻璃基片；4、离子扩散区；5、磁光材料层；6、平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层；7、掩膜。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图3所示，本专利技术在玻璃基片3上表面设有平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6，玻璃基片3上表面的离子扩散区4作为条形光波导芯部，离子扩散区4包括两部分：一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6中，另一部分位于玻璃基片3中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域；位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6中的离子扩散区4的折射率高于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6的折射率，位于玻璃基片3未掺杂铁磁金属纳米颗粒区域中的离子扩散区4的折射率高于玻璃基片3中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域的折射率。由于条形的光波导的芯部横跨平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6和玻璃基片3中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域，这种离子交换光波导具有磁光非互易光波导的特性。这种光波导的横截面结构如图3所示。所述玻璃基片3其材料为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃或者磷酸盐玻璃。所述形成离子扩散区4的离子为K+，Ag+、Tl+、Cs+、Li+或Rb+离子。所述铁磁金属纳米颗粒掺杂层6中的铁磁金属为Fe，Co或Ni。本专利技术的制作步骤如下：步骤1)平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6的制作。先在玻璃基片3上通过熔盐离子交换技术、离子注入技术、或者电场辅助离子扩散技术在玻璃基片表面形成平板状铁磁金属离子掺杂层。通过退火，将其中的铁磁金属离子还原，形成铁磁纳米颗粒，平板状铁磁金属离子掺杂层变成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6；步骤2)通过离子交换技术在玻璃基片3表面制作离子扩散区4。采用含有可提高玻璃折射率的离子的熔盐作为离子源，借助标准的微细加工技术制作的掩膜7在玻璃基片3表面制作光波导，光波导的芯部厚度大于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6的厚度，因此条形光波导芯部的离子扩散区4包括两部分：一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6中，另一部分位于玻璃基片3中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域。下面以Co金属纳米颗粒掺杂的玻璃基离子交换光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图4所示：(A)玻璃基片上平板状Co金属纳米颗粒掺杂层的制备（如图4步骤A）：采用硅酸盐玻璃作为玻璃基片，采用CoSO4和Na2SO4的混和熔盐作为离子源，在500-550℃下保温1小时。混和熔盐中的Co2+进入玻璃基片，形成平板状铁磁金属离子掺杂层，降温后，将玻璃基片清洗干净。将玻璃基片在还原气氛中退火将玻璃基片退火，将平板状铁磁金属离子掺杂层变成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6，所用气氛是H2，退火温度400℃，退火时间2小时。(B)采用微细加工工艺在玻璃的表面制作掩膜7（如图4步骤B）：采用蒸发或溅射工艺在平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层6上制作掩膜7，掩膜7材料为铝。采用标准的光刻腐蚀工艺在掩膜7上制备所需的条形光波导的图形。(C)采用离子交换工艺制作条形的离子掺杂区（如图4步骤C）采用熔盐离子交换工艺在玻璃基片表面铁磁金属纳米颗粒掺杂层上制备条形的离子掺杂区。采用KNO3熔盐作为离子源，离子交换温度为350℃，交换时间8小时。(D)采用腐蚀工艺将玻璃表面的掩膜7去除（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导，其特征在于：在玻璃基片(3)上表面设有平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)，玻璃基片(3)上表面的离子扩散区(4)作为条形光波导芯部，离子扩散区(4)包括两部分：一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)中，另一部分位于玻璃基片(3)中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域；位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)中的离子扩散区(4)的折射率高于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)的折射率，位于玻璃基片(3)未掺杂铁磁金属纳米颗粒区域中的离子扩散区(4)的折射率高于玻璃基片(3)中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种含有铁磁金属纳米颗粒的玻璃基离子交换光波导，其特征在于：在玻璃基片(3)上表面设有平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)，玻璃基片(3)上表面的离子扩散区(4)作为条形光波导芯部，离子扩散区(4)包括两部分：一部分位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)中，另一部分位于玻璃基片(3)中未掺杂铁磁金属纳米颗粒的区域；位于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)中的离子扩散区(4)的折射率高于平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂层(6)的折射率，位于玻璃基片(3)未掺杂铁磁金属纳米颗粒区域中的离子扩散区(4)的折射率高于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝寅雷，冯泽明，杨建义，江晓清，周强，王明华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33