CN101634729A - 倒锥波导耦合器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种倒锥波导耦合器的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在SOI上用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，将SOI的硅波导层刻蚀为一倒锥波导和微纳波导集成器件；步骤2：利用有机/无机杂化的溶胶凝胶法制备光敏性溶胶薄膜材料；步骤3：在SOI的SiO2隔离层及倒锥波导和微纳波导集成器件上旋涂溶胶薄膜；步骤4：对旋涂的溶胶薄膜进行前烘、凝胶；步骤5：在溶胶薄膜上利用掩模版进行紫外写入；步骤6：腐蚀掉紫外写入区以外的部分溶胶薄膜，形成光纤耦合波导，该光纤耦合波导和倒锥波导构成倒锥波导耦合器；步骤7：后烘，完成倒锥波导耦合器的制作。

Description

倒锥波导耦合器的制作方法
技术领域
本发明属于一种光通信技术领域光耦合器件的制作方法，特别涉及一种溶胶凝胶制作倒锥波导耦合器的方法。
背景技术
随着对通信和信息需求的飞速发展，人们对光电子器件的集成度提出了越来越高的要求。高折射率差的SOI 4材料为制作高集成度的光电子器件提供了一个很好的平台，高的折射率差使SOI 4波导对光场的限制作用增强，因此可以大大缩小波导的尺寸。目前制作的SOI4微纳波导集成器件31已经可以达到纳米量级。然而由于单模光纤1的截面尺寸都在微米级，随着微纳波导集成器件31尺寸的缩小，使得微纳波导集成器件31和光纤1之间的耦合越来越困难。因此以较简单的工艺制作出具有较高的耦合效率的光耦合器件，对于微纳波导集成器件31的应用具用至关重要的意义。
倒锥波导耦合器，具有与微纳波导制作工艺相兼容，高的耦合效率而被广泛研究。早期倒锥波导耦合器只包含倒锥波导32，但是由于倒锥尖端尺寸小，使得倒锥波导32与光纤1对准及倒锥波导32的端面抛光都很困难，所以给器件的制作和应用带来了困难。改进后的倒锥波导耦合器是在原来倒锥波导的基础上再做上一个大尺寸、低折射率的光纤耦合波导2，以减小倒锥波导32与光纤1的耦合损耗及倒锥波导32端面抛光的难度。
图1为倒锥耦合器在微纳波导器件中的原理示意图，其中左端的光纤1进入的光信号经过左端光纤耦合波导2，耦合到左端的倒锥波导32，然后再传入微纳波导集成器件31中，经过微纳波导集成器件31的处理，再传给右端的倒锥波导32，耦合到右端的光纤耦合波导2中，然后由右端的光纤耦合波导2传给右端的光纤1，完成光信号在微纳波导集成器件31中的处理。
目前的倒锥波导耦合器20的光纤导入波导2主要有两种方法来制作，其一是使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法来生长SiO2波导层，然后通过电子束光刻及感应耦合等离子体刻蚀来制作光纤导入波导。其二是用有机材料(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))作为光纤耦合波导2的材料，通过电子束光刻的方法来制作光纤导入波导。
这两种方法的缺点在于：器件制作需要昂贵的生产设备、工艺复杂、生产成本高、效率低，不适合规模化的批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倒锥波导耦合器的制作新方法，以实现微纳波导集成器件和光纤之间低损耗的耦合连接。本发明与背景技术相比，制作工艺简单，可规模化生产、成本低、可以方便的对波导材料的折射率进行调整等特点。是制作倒锥波导耦合器的新方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供一种倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在SOI上用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，将SOI的硅波导层刻蚀为一倒锥波导和微纳波导集成器件；
步骤2：利用有机/无机杂化的溶胶凝胶法制备光敏性溶胶薄膜材料；
步骤3：在SOI的SiO2隔离层及倒锥波导和微纳波导集成器件上旋涂溶胶薄膜；
步骤4：对旋涂的溶胶薄膜进行前烘、凝胶；
步骤5：在溶胶薄膜上利用掩模版进行紫外写入；
步骤6：腐蚀掉紫外写入区以外的部分溶胶薄膜，形成光纤耦合波导，该光纤耦合波导和倒锥波导构成倒锥波导耦合器；
步骤7：后烘，完成倒锥波导耦合器的制作。
其中溶胶薄膜的厚度在3～6μm，折射率为1.48～1.58。
其中溶胶薄膜的前烘、凝胶温度为100～120℃，时间为10～30min。
其中紫外写入，是使用接触式曝光系统的紫外光9，该紫外光9的波长≤365nm，功率≥350w，曝光时间5～30min。
其中溶胶薄膜使用一种正性感光材料，未曝光的部分显影后会被去掉，曝光的溶胶薄膜会留下来，使用正丙醇为显影剂，显影时间3～5min。
其中制作的光纤耦合波导是截面尺寸为3×3μm～6×6μm的矩形波导。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下配合附图及实施例对本发明的特征作详细的说明，其中：
图1为倒锥耦合器在微纳波导器件中的原理示意图；
图2为本发明的倒锥波导立体示意图；
图3A为涂胶后倒锥波导剖面示意图；
图3B为接触式紫外光曝光剖面示意图；
图3C为接触式紫外光曝光后剖面示意图；
图3D为本发明倒锥波导耦合器剖面示意图；
图4为本发明的倒锥耦合器立体示意图。
具体实施方式
一种倒锥波导耦合器20制作新方法，其主要特征是将紫外写入溶胶凝胶制作波导的工艺和微纳波导的制作工艺相结合。首先使用电子束光刻及感应耦合等离子体刻蚀工艺制作出微纳集成波导器件31及倒锥波导32，然后使用紫外写入溶胶凝胶的方法在倒锥波导32上套刻出光纤耦合波导2。
请参阅图1-图4，本发明为一种倒锥波导耦合器20的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI(绝缘体上硅)4上用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，将SOI 4的硅波导层3刻蚀为一倒锥波导32和微纳波导集成器件31；
选择的SOI 4为一种薄硅波导层3的片子，其中SiO2隔离层5的厚度在1～2μm，硅波导层3的厚度在300～400nm。室温，4000rpm的条件下对SOI 4进行聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的旋涂，180℃下对旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的SOI 4前烘10min，然后使用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，将SOI 4的硅波导层3刻蚀为一倒锥波导32和微纳波导集成器件31；
步骤2：利用有机/无机杂化的溶胶凝胶法制备光敏性溶胶薄膜7材料；
取一定比例的反应先躯体甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS)和催化剂盐酸(HCl)溶液，磁力搅拌2h水解；然后按照所需光纤耦合波导2的要求，将一定量的粘合剂甲基丙烯酸(MAA)、调节折射率材料四丙氧基锆(ZPO)，溶解在正丙醇(n-Propyl alcohol)中磁力搅拌30min，随后与水解产物混合继续搅拌1h；在避光条件下，将一定量的光敏剂1-羟基-环己基苯酮(HCPK)加入溶胶中搅拌30min，最后将整个溶胶在避光条件下用0.5μm微孔滤膜过滤，放置老化24h，光敏性SiO2材料的折射率随ZPO掺杂量的增加而增大。整个实验过程在常温下进行；
步骤3：在SOI 4的SiO2隔离层5及倒锥波导32和微纳波导集成器件31上旋涂溶胶薄膜7；
利用匀胶机旋涂溶胶薄膜7，首先将SOI 4紧紧地吸附在匀胶机的旋转台上，把溶胶薄膜7材料均匀的滴在SOI 4上，然后匀胶机高速旋转，旋涂速率为4000rpm，时间为30s，SOI 4的SiO2隔离层5及倒锥波导32和微纳波导集成器件31上即形成3～6μm厚的溶胶薄膜7，溶胶薄膜7的折射率为1.48～1.58；
步骤4：对旋涂的溶胶薄膜7进行前烘、凝胶；
为了固化溶胶薄膜7，防止接触式紫外光9曝光时发生粘版现象，在100～120℃下前烘10～30min，溶胶薄膜7由原来的液态变成固态；
步骤5：在溶胶薄膜7上利用掩模版8进行紫外写入；
利用刻有波导图形的掩模版8，通过接触式曝光系统进行紫外光9曝光，紫外光9波长≤365nm，功率≥350w，曝光时间5～30min。掩模版8透光部分下的被曝光的溶胶薄膜7，由于金属锆进一步进入有机网络中，折射率增大，折射率随着曝光时间的增加而增大，最后趋于饱和；未曝光的溶胶薄膜7折射率不变；
步骤6：腐蚀掉紫外写入以外的部分溶胶薄膜7，形成光纤耦合波导2，该光纤耦合波导2和倒锥波导32构成倒锥波导耦合器20；
掺入光敏剂HCPK的光敏性杂化SiO2溶胶薄膜7是一种正性感光材料，未曝光的溶胶薄膜7显影后将会被去掉，曝光的溶胶薄膜7将会留下，以正丙醇为显影剂，显影3～5min，之后用氮气吹干，形成光纤耦合波导2，该光纤耦合波导2和步骤1制作的倒锥波导32构成倒锥波导耦合器20；
步骤7：后烘，完成倒锥波导耦合器20的制作。
200～400℃温度下后烘2h，提高光纤耦合波导2的强度，同时进一步提高光纤耦合波导2的折射率，并且将光纤耦合波导2中残留溶剂含量降低，降低器件的光传输损耗。

Claims (6)

1、一种倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在SOI上用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术，将SOI的硅波导层刻蚀为一倒锥波导和微纳波导集成器件；
步骤2：利用有机/无机杂化的溶胶凝胶法制备光敏性溶胶薄膜材料；
步骤3：在SOI的SiO2隔离层及倒锥波导和微纳波导集成器件上旋涂溶胶薄膜；
步骤4：对旋涂的溶胶薄膜进行前烘、凝胶；
步骤5：在溶胶薄膜上利用掩模版进行紫外写入；
步骤6：腐蚀掉紫外写入区以外的部分溶胶薄膜，形成光纤耦合波导，该光纤耦合波导和倒锥波导构成倒锥波导耦合器；
步骤7：后烘，完成倒锥波导耦合器的制作。
2、根据权利要求1所述的倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，其中溶胶薄膜的厚度在3～6μm，折射率为1.48～1.58。
3、根据权利要求1所述的倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，其中溶胶薄膜的前烘、凝胶温度为100～120℃，时间为10～30min。
4、根据权利要求1所述的倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，其中紫外写入，是使用接触式曝光系统的紫外光9，该紫外光9的波长≤365nm，功率≥350w，曝光时间5～30min。
5、根据权利要求1所述的倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，其中溶胶薄膜使用一种正性感光材料，未曝光的部分显影后会被去掉，曝光的溶胶薄膜会留下来，使用正丙醇为显影剂，显影时间3～5min。
6、根据权利要求1所述的倒锥波导耦合器的制作方法，其特征在于，其中制作的光纤耦合波导是截面尺寸为3×3μm～6×6μm的矩形波导。
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