CN100363764C - 紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对紫外写入二氧化硅波导进行载氢；(2)采用紫外激光对波导进行曝光，在波导上形成布拉格光栅；(3)退火，稳定光栅性能。

Description

紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法
技术领域
本发明用于在紫外写入波导上制备布拉格光栅，特别涉及一种紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法。
背景技术
目前二氧化硅波导通常采用刻蚀的方法制备，这种方法工艺复杂，成本很高，不利于工业化生产。自从K.O.Hill发现紫外激光曝光能使掺锗的二氧化硅材料折射率改变，便产生了一种新的二氧化硅波导制作方法--紫外写入法。紫外写入法有两种方式：一是通过对欲形成波导的区域进行紫外激光曝光，使该区域的折射率上升，形成导光结构；另一种方法是对欲形成波导区以外的区域进行高能量密度和高累积能量的曝光，使曝光区域的折射率下降，也形成了导光结构。目前这两种方式所能实现的饱和折射率变化都为10-4～10-3量级。形成紫外写入波导时材料的折射率变化已经达到饱和值，再在上面形成I型光栅十分困难。但在波导器件中，波导光栅是经常采用的一种结构，所以迫切需要找到在紫外写入波导上制备布拉格光栅的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种在紫外写入波导上制备布拉格光栅的方法，关键在于该方法形成的是II型布拉格光栅，通过对波导特定区域进行高能量密度的长时间周期性曝光，使曝光区的折射率下降直至曝光区的折射率小于原始折射率，形成II型布拉格光栅。
本发明是通过以下方法实现的：
本发明一种在紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对紫外写入二氧化硅波导进行载氢，其中紫外写入二氧化硅波导包括：在硅衬底或二氧化硅衬底上依次形成下包层，波导层和上包层，波导层为掺杂了适量的光敏剂锗和折射率降低剂堋；
(2)采用能量密度为300-400mj/cm2/脉冲、20Hz，曝光时间为25-40分钟的紫外激光对波导进行曝光，在波导上形成II型布拉格光栅；
(3)退火，稳定光栅性能。
其中依次形成下包层，波导层和上包层，所述的下包层、波导层和上包层的形成方法是火焰水解法或等离子体增强化学气相沉积法或热氧化法或阳极氧化法或以上方法的组合。
其中波导层除了掺杂了适量的光敏剂锗或锡外还掺杂折射率降低剂硼或氟或其组合，下包层是纯的二氧化硅玻璃或是掺杂了折射率降低剂硼或氟或其组合的二氧化硅玻璃，上包层为掺杂了硼或氟或磷或其组合的二氧化硅玻璃。
其中光栅的写入方式是任何可以形成光栅的方法。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1双光束全息相干法在紫外写入波导上写入光栅的示意图；
图2相位掩膜法在紫外写入波导上写入光栅的示意图；
图3振幅掩膜法在紫外写入波导上写入光栅的示意图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1所示，本发明一种在紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，包括如下步骤：
(1)在硅衬底或二氧化硅衬底1上依次形成下包层2，波导层3和上包层4，其中下包层2、波导层3和上包层4的形成方法是火焰水解法或等离子气相沉积法或热氧化法或阳极氧化法或以上方法的组合；其中上包层4、波导层3和下包层2均为掺杂或未掺杂的二氧化硅玻璃，其中下包层2和上包层4中不含锗，波导层3中含有8％的锗和少量的硼，锗作为光敏剂，硼作为折射率降低剂，下包层2，波导层3和上包层4的厚度分别为15/8/20微米。然后通过紫外写入法在波导层3中形成波导5。
(2)通过紫外写入法在波导层3中形成波导5，其中紫外写入形成波导5的方法是掩膜写入法。写入波导时所用激光波长为193nm，能量密度150mj/cm2/脉冲，频率20Hz，曝光时间15分钟。
(3)对紫外写入波导5进行载氢，即将写有波导的芯片在氢气气氛下，600℃保温72小时。
(4)然后在波导5上写入布拉格光栅，其中光栅的写入方式是任双光束全息相干法。双光束全息相干法就是把一束激光6通过分束器7分为两条光束，两条光束经反射镜8反射后形成周期性干涉条纹9，从而对波导区进行了周期性的曝光，使波导上曝光区的折射率下降，形成II型布拉格光栅。所用紫外激光6为248nm，400mj/cm2/脉冲，20Hz，曝光时间为40分钟。
(5)退火，在120℃保温10小时，稳定光栅性能。
实施例2(如图2所示)
首先在硅衬底1上用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)依次生长二氧化硅下包层2，波导层3和上包层4，其中下包层2和上包层4中不含锗，波导层3中含有15％的锗和少量的B，下包层2，波导层3和上包层4的厚度分别为15/6/20微米。然后通过紫外写入法在波导层3中形成波导5。写入波导时所用激光波长为248nm，能量密度100mj/cm2/脉冲，频率20Hz，曝光时间20分钟。将写有波导的芯片放入充满氢气的高压容器中，压力为20MPa，在室温下放置一周，进行载氢。然后通过相位掩膜法写入II型布拉格光栅，即将相位掩膜至于波导上方，并用紫外激光6对相位掩膜10曝光。所用紫外激光6波长为193nm，能量密度300mj/cm2/脉冲，20Hz，曝光时间为25分钟。然后在120℃退火10小时。
实施例3(如图3所示)
首先在硅衬底1上用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)依次生长二氧化硅下包层2，波导层3和上包层4，其中下包层2和上包层4中不含锗，波导层3中含有15％的锗和少量的B，下包层2，波导层3和上包层4的厚度分别为15/6/20微米。然后通过紫外写入法在波导层3中形成波导5。写入波导时所用激光波长为244nm，能量密度100mj/cm2/脉冲，频率20Hz，曝光时间20分钟。将写有波导的芯片放入充满氢气的高压容器中，压力为12MPa，在室温下放置两周，进行载氢。然后将振幅掩膜至于波导上方，并用紫外激光6对振幅掩膜11曝光。所用紫外激光6波长为244nm，能量密度400mj/cm2/脉冲，20Hz，曝光时间为45分钟。然后在120℃退火10小时。

Claims (4)

1.一种在紫外写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对紫外写入二氧化硅波导进行载氢，其中紫外写入二氧化硅波导包括：在硅衬底或二氧化硅衬底上依次形成下包层，波导层和上包层，波导层为掺杂了适量的光敏剂锗和折射率降低剂堋；
(2)采用能量密度为300-400mj/cm2/脉冲、20Hz，曝光时间为25-40分钟的紫外激光对波导进行曝光，在波导上形成II型布拉格光栅；
(3)退火，稳定光栅性能。
2.根据权利要求1所述的紫外激光写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，其中依次形成下包层，波导层和上包层，所述的下包层、波导层和上包层的形成方法是火焰水解法或等离子体增强化学气相沉积法或热氧化法或阳极氧化法或以上方法的组合。
3.根据权利要求1所述的紫外激光写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，其中波导层除了掺杂了适量的光敏剂锗或锡外还掺杂折射率降低剂硼或氟或其组合，下包层是纯的二氧化硅玻璃或是掺杂了折射率降低剂硼或氟或其组合的二氧化硅玻璃，上包层为掺杂了硼或氟或磷或其组合的二氧化硅玻璃。
4.根据权利要求1所述的紫外激光写入二氧化硅波导上制备布拉格光栅的方法，其特征在于，其中光栅的写入方式是任何可以形成光栅的方法。
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