CN100406934C

CN100406934C - 一种深刻蚀二氧化硅脊型波导及其制备工艺

Info

Publication number: CN100406934C
Application number: CN2005100602948A
Authority: CN
Inventors: 戴道锌; 何赛灵
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: CN1743880A

Abstract

本发明公开了一种深刻蚀二氧化硅脊型波导及其制备工艺。下包层、芯层和上包层依次沉积在衬底上。其刻蚀深度大于上包层和芯层总厚度，即上包层、芯层以及部分或全部下包层被刻穿。本发明采用二氧化硅薄膜沉积技术在衬底上依次沉积下包层、芯层和上包层，再利用深刻蚀技术，将上包层和芯层刻穿，并刻蚀部分或全部下包层。本发明的深刻蚀二氧化硅脊型波导增强了对光场的限制，能大大减小弯曲半径，极大地提高了光集成度。同时在三层薄膜沉积过程中，样片不取出薄膜沉积设备反应腔外，工艺流程上更为便利。

Description

一种深刻蚀二氧化硅脊型波导及其制备工艺

技术领域

本发明涉及平面光波导集成领域，特别是涉及一种深刻蚀二氧化硅脊型波导及其制备工艺。

背景技术

硅基二氧化硅(SiO₂)波导是各类平面光波导中应用最为广泛的一种，具有以下突出优点，如性质稳定、工艺成熟，与光纤有相同的透光窗口，且模斑匹配好，耦合效率高，传播损耗小等。目前应用最广泛的是掩埋型矩形波导，结构如图1所示，包层折射率和芯层折射率分别为n₁、n₂(n₂＞n₁)，光波在掩埋型矩形波导中传输时能量主要集中在矩形芯层区。然而二氧化硅掩埋型波导的相对折射率差Δ通常为0.75％，属于弱限制波导，因而为了实现低弯曲损耗，波导弯曲半径往往比较大，如几毫米以上，这不利于实现高集成度光波导器件。为了减小弯曲半径，已发展多种高折射率差的二氧化硅掩埋型波导，如Δ＝1.5～2.0％，此时弯曲半径可减小到2mm。然而，对于这种高折射率差波导，一方面要重新确定和优化薄膜沉积工艺条件从而保证薄膜质量；另一方面波导尺寸减小到3～4微米，因而大大增加了与光纤的耦合损耗，虽然也有人采用各式各样的模式匹配器以降低与光纤的耦合损耗，然而模式匹配器结构或工艺比较复杂，而且弯曲半径也并非数量级上的减小。因此高折射率差SiO₂掩埋型波导也并非很理想的选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种深刻蚀二氧化硅脊型波导，采用深刻蚀技术，增强了对光场的限制，从而能实现很小弯曲半径的结构，大大提高了集成度。

本发明采用的技术方案是：

1、一种深刻蚀二氧化硅脊型波导，依次包括上包层、芯层、下包层和衬底，下包层、芯层和上包层依次沉积在衬底上。其刻蚀深度大于上包层和芯层总厚度，即上包层、芯层以及部分或全部下包层被刻穿。

2、一种深刻蚀二氧化硅脊型波导制备工艺，整个工艺流程包括：

1)利用二氧化硅薄膜沉积技术在衬底上形成具有不同折射率的三层SiO₂薄膜，即下包层、芯层、上包层；

2)在上包层上涂上光刻胶，然后利用光刻技术形成刻蚀相应的掩膜图形；

3)利用深刻蚀技术，形成深刻蚀脊型波导结构，其刻蚀深度大于上包层和芯层总厚度，即上包层、芯层以及部分或全部下包层被刻穿。

3、所述的薄膜沉积技术包括增强型等离子气相沉积技术或火焰水解法沉积技术或高温氧化成膜技术。

本发明具有的有益的效果是：

1.本发明的深刻蚀二氧化硅脊型波导增强了对光场的限制，能大大减小弯曲半径(减小将近百倍)，极大地提高了光集成度；

2.在工序上，三层薄膜沉积连续进行，样片不需取出薄膜沉积设备反应腔外，三层薄膜的沉积只需一次开启/关闭薄膜沉积设备，即在薄膜沉积中不插入其他工艺(如刻蚀)，工艺流程上更为便利，且由于取出样片时上包层已经形成，因此不会在芯层表面引入灰尘等杂质和缺陷，提高了成膜质量；

3.可以很方便的引入锥形过渡区，使得深刻蚀脊型波导与光纤耦合损耗降低到足够低的水平。

附图说明

图1.传统二氧化硅掩埋型波导截面图；

图2.本发明的深刻蚀二氧化硅脊型波导截面图；

图3.本发明深刻蚀SiO₂脊型光波导的制作工艺流程.(a)薄膜沉积；(b)光刻；(c)刻蚀；

图4.本发明深刻蚀脊型SiO₂波导的模场分布图；(a)直波导；(b)弯曲半径R＝100μm；

图5.用于降低与光纤耦合损耗的模式匹配器；

图6.耦合损耗与模式匹配器宽度的关系；

图中：1、上包层，2、芯层，3、下包层，4、衬底。

具体实施方式

如图2所示，一种深刻蚀二氧化硅脊型波导，依次包括上包层1、芯层2、下包层3和衬底4，下包层3、芯层2和上包层1依次沉积在衬底4上；其特征在于：其刻蚀深度大于上包层1和芯层2总厚度，即上包层1、芯层2以及部分或全部下包层3被刻穿。

芯层2折射率比上包层1和下包层3的折射率差略大，因此在垂直方向能对光场进行有效的限制。由于刻蚀深度足够深，因此在水平方向上芯层与空气之间的大折射率相差能形成很强的限制，从而能实现很小的弯曲半径同时保证弯曲损耗足够小。

一种深刻蚀二氧化硅脊型波导制备工艺，如图3所示。整个工艺流程包括：1)首先，利用PECVD薄膜沉积技术形成具有不同折射率的三层SiO₂薄膜，即下包层、芯层、上包层；2)其次，利用光刻技术将掩模板上的图形转移到镀好薄膜的基片上；3)然后利用深刻蚀技术，形成深刻蚀脊型波导结构。上述工艺流程与传统SiO₂掩埋型波导的制作不同。传统工艺中，在制作过程中，需要两次开启/关闭PECVD设备：刻蚀前仅沉积两层薄膜(即下包层和芯层)，刻蚀后再沉积上包层。而本发明深刻蚀二氧化硅脊型波导的制作工艺流程中，三层薄膜的沉积只需一次开启/关闭PECVD设备，即在薄膜沉积中不插入其他工艺(如刻蚀)，使得制作工艺更为方便，且有助于减少芯层薄膜的缺陷。

下面分析本发明深刻蚀二氧化硅脊型波导的模场分布，以考察其对光场的限制能力。取波导宽度w＝3μm，波导芯层厚度h_co＝6μm，上包层厚度h_c1＝6μm，下包层总厚度h_bf＝h_et+h_δ＝8μm，刻蚀深度为h_c1+h_co+h_et＝18μm，芯层n_co、包层折射率n_c1分别为1.479、1.468。图3(a)和(b)分别给出了直波导与弯曲波导(弯曲半径R＝100μm)的模场分布。由此图可见，由于波导横向是强限制(空气/二氧化硅)，因而模场在横向上主要被限制在芯层，这使得波导在弯曲半径很小的情况下仍然能将能量很好地限制在波导芯层，如R＝100μm时的场分布(见图4(b))，此时弯曲波导的纯弯曲损耗约为0.0014dB/90°。此弯曲损耗非常小，因此从弯曲损耗来看，可以进一步减小弯曲半径。而对于弯曲波导模式与直波导不匹配引入的过渡损耗，也可通过优化波导结构进一步减小，则可实现更小的弯曲半径和更高的集成度。

和传统SiO₂掩埋型波导相比，本发明由于引入了深刻蚀，波导模斑与光纤模斑匹配程度有所降低，引入了一定的耦合损耗。本发明采用了一种简单的模式匹配器克服了这一不足之处，如图5所示。优化匹配器端口宽度w_tp，使得波导与光纤的耦合损耗最小。图6给出了耦合损耗与w_tp的关系。由此图可见，通过优化结构可将耦合损耗降低到一个很低的水平(O.32dB)，对应的宽度w_tp＝12μm。因此，本发明具有非常突出实用价值。

Claims

1.一种深刻蚀二氧化硅脊型波导，依次包括上包层(1)、芯层(2)、下包层(3)和衬底(4)，下包层(3)、芯层(2)和上包层(1)依次沉积在衬底(4)上；其特征在于：其刻蚀深度大于上包层(1)和芯层(2)总厚度，即上包层(1)、芯层(2)以及部分或全部下包层(3)被刻穿。

2.一种深刻蚀二氧化硅脊型波导制备工艺，其特征在于整个工艺流程包括：

1)利用二氧化硅薄膜沉积技术在衬底(4)上形成具有不同折射率的三层SiO₂薄膜，即下包层(3)、芯层(2)、上包层(1)；

2)在上包层(1)上涂上光刻胶，然后利用光刻技术形成刻蚀相应的掩膜图形；

3)利用深刻蚀技术，形成深刻蚀脊型波导结构，其刻蚀深度大于上包层(1)和芯层(2)总厚度，即上包层(1)、芯层(2)以及部分或全部下包层(3)被刻穿。

3.根据权利2所述的一种深刻蚀二氧化硅脊型波导制备工艺，其特征在于所述的薄膜沉积技术包括增强型等离子气相沉积技术或火焰水解法沉积技术或高温氧化成膜技术。