[其他]變折射率薄膜的單源真空沉積法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 101985000000569
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100569B
• 公開（公告）日: 1988-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龐叔鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工學(xué)院
• 代理公司: 南京工學(xué)院專利事務(wù)所
• 代理人: 樓高潮;柯景鳳

本發(fā)明屬于薄膜的制備方法。目前，關(guān)于變折射率材料（光纖、成像元件、光波導(dǎo)等）的制造方法較多，大多純屬化學(xué)法。真空蒸發(fā)法及濺射法又只能得到均勻折射率薄膜。本發(fā)明是采用單個電子束蒸發(fā)源，實(shí)行真空蒸發(fā)，在基底上獲得變折射率薄膜，是一種物理法。此法獲得變折射率膜的關(guān)鍵是膜科的選配工藝和采用電子束定域加熱。此法與化學(xué)法相比，在制備工藝上具有較大的自由度的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明適用于制備微型光學(xué)元件或光集成元件所需的變折射率薄膜。

本發(fā)明屬于薄膜的制備方法。

目前，變折射率材料（光纖、成象元件）的制備方法較多，有化學(xué)汽相沉積法、中子輻照法、離子交換法、晶體生長法、離子填充法等。〔1〕〔2〕〔3〕光波導(dǎo)的制備有離子注入法、擴(kuò)散法或熔相外延法。〔4〕變折射率材料（薄膜）的制備居多采用上述方法中的化學(xué)法。其變折射率層受到摻雜和基底的影響，不能形成獨(dú)立的變折射率薄膜。現(xiàn)有的真空蒸發(fā)法和濺射法只能獲得均勻折射率薄膜。

本發(fā)明的目的是提出了拓寬折射率變化范圍、不受基底材料影響的一種新方法。

本發(fā)明是采用單個電子束蒸發(fā)源，實(shí)行真空蒸發(fā)，在基底上獲得一定厚度的變折射率薄膜，是一種物理法。獲得變折射率薄膜的關(guān)鍵是膜料的選配工藝和電子束定域加熱蒸發(fā)技術(shù)。采用折射率、熔點(diǎn)不同的膜料，以一定比例混合、熱壓成柱體塊料。為了得到變折射率薄膜，對壓制成型的園柱形塊料，使用一定束截面的電子束進(jìn)行定域加熱蒸發(fā)，電子束沿園柱軸向由上向下，使材料加熱逐漸蒸發(fā)。然后，在基底上沉積形成變折射率薄膜。根據(jù)不同混合膜料制備的變折射率薄膜，進(jìn)行時效處理。

本發(fā)明與已有方法相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）拓寬薄膜的折射率變化范圍;（2）不受基底材料限制，在任何基底上形成獨(dú)立的變折射率薄膜;（3）工藝較簡單、制備周期短;（4）制備的平面型變折射率薄膜，視光軸方向可分別得到軸向或徑向變折射率特性。

本發(fā)明制備的變折射率薄膜適用于微型光學(xué)元件或光學(xué)集成塊中的光學(xué)元件。例如，變折射率透鏡、光耦合器、光波導(dǎo)等，用變折射率薄膜替代均勻折射率薄膜，能得到特殊優(yōu)越的性能。

附圖，變折射率薄膜單源真空沉積法示意圖

1-柱體塊料;2-E型電子槍;

3-定域加熱電子束;4-沉積基底。

本發(fā)明可以采取以下方式實(shí)施：根據(jù)光集成元件需要的折射率分布，選配膜料壓制成塊。折射率的選擇決定了薄膜相對折射率差（△n），△n＝0.01～0.2;膜料的熔點(diǎn)選擇決定了折射率的變化趨勢，并影響相對折射率差的大小。兩種混合膜料的熔點(diǎn)差值范圍是500℃～1000℃;不同膜料的混合比例影響薄膜折射率的變化速率，混合膜料的混合比例是1∶1～1∶0.5;混合膜料可采用滿足真空蒸發(fā)條件的金屬氧化物，稀土氧化物、少數(shù)硫化物和氟化物;膜料的熱分餾效應(yīng)決定于不同膜料熔點(diǎn)的大小和蒸發(fā)溫度。根據(jù)壓制的柱狀塊料、選擇一定束截面的電子束進(jìn)行定域加熱，電子束只能沿柱體軸同由上向下加熱蒸發(fā)，不允許橫向移動;電子束的軸向加熱蒸發(fā)速度和蒸發(fā)溫度決定于混合膜料的性質(zhì)。電子束的束截面應(yīng)可調(diào)（4～8平方毫米），電子束的加熱溫度在1000℃～2500℃范圍內(nèi)可調(diào)。確定薄膜的時效處理參數(shù)：選擇時效處理的合適氣氛（真空、氣氛）條件、最高溫度、恒溫時間。其目的是降低應(yīng)力，增強(qiáng)膜的機(jī)械強(qiáng)度;改善膜的結(jié)構(gòu)，提高膜的穩(wěn)定性;降低損耗。

實(shí)施例：采用1∶1的〔ZrO₂-TiO₂〕混合膜料壓制成塊，采用束截面為6mm、加熱溫度為2000℃的電子束進(jìn)行加熱蒸發(fā)，得到薄膜的相對折射率差為△n＝0.1。

對比文獻(xiàn)：

〔1〕島田禎晉＊，光通信技術(shù)＊本，1980

〔2〕Duncan T.Moore，Appl.Optics，vol.19，NO7，1980

〔3〕西沢＊一，ォフトェレクトロニクス，1971

〔4〕P.K.Tien，Integrated Optics and New Wave Phenomena in Optical Waveguides，1977