CN102200667B - 一种体硅可调谐光学滤波器及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种体硅可调谐光学滤波器由体硅调谐腔，高掺杂的体硅电阻加热器，下悬臂梁、上悬臂梁，表面高掺杂的左悬臂梁、表面高掺杂的右悬臂梁，金属导线、应力平衡金属导线、左引线区域，右引线区域和支撑SOI硅基底11构成。其采用高电阻率的SOI硅片并利用体硅加工工艺制作获得。包括：(a)SOI硅片器件层表面制作高掺杂区域；(b)硅片器件层表面溅射金属并制作金属结构；(c)硅片器件层表面制作体硅调谐腔和各悬臂梁结构；(d)从硅片下表面衬底层释放体硅调谐腔及悬臂梁结构；(e)在体硅调谐腔上下表面制作高反射膜，形成光学F-P干涉腔体。所制作的该滤波器具有很好的光学性能，且工艺制作简单，结构可靠性高。

Description

一种体硅可调谐光学滤波器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域中使用的可调谐光器件及制作方法，具体地说涉及一种体硅可调谐的光学滤波器及制作方法。属于可调谐光学滤波器领域。

背景技术

随着光通信的迅猛发展，密集波分复用系统(DWDM)已经发展成为光通信网路的主流。而其中的核心器件是波长的复用/解复用器。可调谐滤波器的主要应用之一是构成各种解复用器，可以将复用在一起的光信号区分开。可调谐滤波器也可以构成新一代全光网路中的关键器件即光分插复用器(ROADM)、光性能监测器(OPM).在光纤传感器领域，光纤光栅(FBG)传感器的波长解调需要光学可调谐滤波器实现波长扫描。在光纤激光器领域，输出波长可调谐光纤器具有广泛的应用，实现光纤激光器波长调谐的最有效的方式在激光谐振腔使用光学可调谐滤波器来调谐、选择输出波长。这些应用使得可调谐滤波器在DWDM光纤通信系统、光纤传感和光纤激光器领域中成为非常重要的一类器件。现在基于MEMS技术的可调谐光学滤波器由于其具有微小型化、集成化和批量制造、成本低等优点越来越成为研究和开发的重点。

基于MEMS技术的法布里-珀罗(F-P)型可调谐光学滤波器主要有两种实现方案。一种是制作两个平行且可动的微镜面，控制可动的微镜面进行移动来获得可以调谐的滤波效应。但是该种方案需要制作两个高光学质量的光学微反射镜、精准地控制两个微镜面的相互平行度，并且在移动镜面的时候也需要保持两个微镜面具有很高的平行度，而要实现这些条件是非常困难的。美国AXSUN公司采用平-凹光学FP干涉腔来降低对两个微镜面的相互平行度的要求，但利用MEMS技术制作高质量凹面反射镜的工艺十分复杂、昂贵。同时该种方案由于具有可动结构使得器件对于外界振动干扰比较敏感。

另外一种技术方案采用改变光学调谐腔体材料的折射率来获得光学波长的调谐，而改变折射率最简便的方式就是基于材料的热光效应，采用改变材料的温度来实现。由于硅材料有很高的热光系数，温度改变可以实现材料较大的折射率改变，因此采用硅材料制作热光可调谐的光学滤波器成为可能。但是现有技术方案都采用生长多晶硅薄膜材料制作可调谐光学腔，通过金属膜加热器加热多晶薄膜硅材料来改变其折射率以获得光信号的调谐。如文献所示(专利200510062484.3和Dennis Hohlfeld，JMEMS，2007)。采用该种方案的缺点是：1)对薄膜硅材料的应力控制要求高，在制作硅薄膜时容易导致残余应力，从而使得硅薄膜材料表面引起变形而使得透射光信号变差；2)生长的多晶硅薄膜厚度通常为数微米，更厚的薄膜生长很困难；3)多晶硅薄膜的表面光学质量差，如粗糙度，难以控制，影响F-P干涉腔的光学性能；4)薄膜材料由于需要应力控制的要求也无法制作大面积镜面，导致最后需要进行光学耦合时只能采用小光斑的光纤透镜进行封装，从而导致器件整体成本上升，可靠性下降。

发明内容

本发明的目的在于提出一种体硅可调谐光学滤波器结构及其制作方法。其结构包括单晶硅悬臂梁、重掺杂悬臂梁、体硅调谐腔、重掺杂体硅电阻加热器、金属导线、引线区域及应力平衡金属导线构成。本发明提供的光学滤波器采用高电阻率的SOI硅片制作。利用SOI硅片的器件层作为单晶体硅材料制作可调谐滤波器的光学体硅调谐腔。由于SOI硅片表面经过高精度表面抛光且厚度均匀，因此可以保证光学体硅调谐腔可以获得很好的光学性能。SOI硅器件层也不同于多晶硅薄膜，它是具有一定的厚度(几微米到上百微米均可)的单晶硅且为整体制作，因此应力很小，表面平整、光洁，可以按照设计要求制作较大通光口径(几十微米到几千微米直径均可)的光学F-P调谐腔且不会变形。本发明的可调谐光学滤波器直接采用体硅材料的上下两个表面，没有相对运动，其谐振输出波长对振动不敏感。由于硅材料具有很高热传导系数，采用在体硅调谐腔内部边缘制作重掺杂的硅电阻作为加热器，在毫秒量级的时间内对整个单晶体硅F-P调谐腔进行均匀地加温、停止加热后可以均匀地降温，以完成输出光谐振波长的调谐，避免了在光学镜面上制作金属电阻，不影响体硅调谐腔与输入、输出光纤的光学耦合。采用四周对称分布的四端悬臂梁结构对体硅镜面进行悬空支撑并与支撑SOI硅基底进行隔离，具有很好的热隔离性，降低了使用时调谐所需电功耗。通过优化设计体硅调谐腔与支撑硅基底和空气的热传导，可以实现设计的光波长调谐速度。利用其中两个表面重掺杂的悬臂梁作为导线连接，而不需要在悬臂梁上套准制作连接导线，降低了工艺制作的复杂度。

本发明的体硅可调谐光学滤波器制作方法基于SOI硅片，采用MEMS体硅加工工艺制作。其主要制作过程如下：

(a)将高电阻率SOI硅片进行氧化，表面生长二氧化硅层；对硅片上表面进行光刻，并进行二氧化硅腐蚀，暴露出需要重掺杂的区域；对暴露出的区域进行半导体重掺杂扩散，获得加热电阻和悬臂梁上表面引线区；去除表面二氧化硅层；

(b)对SOI硅片上表面溅射金属AI后用光刻定义出金属导线图形，并用金属腐蚀液制作出金属导线，应力平衡导线，引线区域的结构；

(c)对SOI硅片上表面光刻定义出体硅调谐腔结构和悬臂梁结构，并用深刻蚀工艺刻蚀SOI硅片到掩埋二氧化硅层，制作出悬臂梁和体硅调谐腔结构；

(d)在SOI硅片下表面的衬底层上光刻出刻蚀图形，并利用刻蚀或腐蚀技术将不需要的衬底层去除至SOI硅片的埋层二氧化硅层；利用二氧化硅腐蚀液去除SOI硅片的埋层二氧化硅层；释放体硅谐振腔和悬臂架结构；

(e)在体硅调谐腔上下两个表面分别制作上光学高反射膜层，形成F-P光学干涉腔体。

综上所述，本发明提供一种体硅可调谐光学滤波器，采用在硅悬臂梁支撑的单晶体硅层的上下表面制作光学高反射膜形成光学法布里-珀罗(F-P)干涉腔体，通过调节体硅的温度改变体硅材料的光学折射率，实现对光学F-P干涉腔体的透射光波长的调谐。所提供的滤波器具有很好的光学性能，加工工艺简单，结构可靠性高等特点。

所述的体硅可调谐的光学滤波器的结构特征在于：

a)利用SOI硅片的器件层作为单晶体硅材料制作可调谐滤波器的光学体硅调谐腔，也即体硅调谐腔完全由高电阻率的SOI硅片的顶层硅的器件层构成；

b)下悬臂梁，上悬臂梁，表面高掺杂的左悬臂梁和表面高掺杂的右悬臂梁4个悬臂梁对称分布支撑体硅调谐腔，使体硅调谐腔悬空；

c)在表面高掺杂的左悬臂梁的上表面和表面高掺杂的右悬臂架的上表面制作了左、右引线区域，将金属导线与引线区域相连接；

d)在体硅调谐腔上表面内制作高掺杂的体硅加热器，表面高掺杂的左悬臂梁和表面高掺杂的左悬臂梁将高掺杂体硅电阻加热器与左、右引线区域相连接。

附图说明

图1：本发明提供的体硅可调谐光学滤波器结构示意图；

图2：本发明提供的体硅可调谐光学滤波器制作方法流程图。

图中：(a)SOI硅片上生长顶层器件层；(b)为(a)表面生长一层SiO₂层；(c)光刻并腐蚀出需重掺杂扩散区；(d)对暴露出的区域重掺杂；(e)硅片上表面溅射铝金属并光刻铝导线图形结构；(f)上表面进行光刻制作出体硅谐振腔和悬臂梁结构区域；(g)SOI硅片下表面衬底光刻并去除埋层SiO₂层；(h)体硅调谐腔上、下表面制作光学高反射膜层。

图中：1为体硅调谐腔，2为高掺杂的体硅电阻加热器，3为下悬臂梁，4为上悬臂梁，5为表面高掺杂的左悬臂梁、6为表面高掺杂的右悬臂梁，7为金属导线，8为应力平衡金属导线，9为左引线区域，10右引线区域，11为支撑硅基底结构，20为SOI硅片的单晶硅器件层，21为SOI硅片的埋层二氧化硅层，22为SOI材料的下表面衬底硅层，23为表面氧化层，24为暴露出需要重掺杂扩散区，25为左悬臂梁5的上表面掺杂扩散区，26为右悬臂梁6的上表面掺杂扩散区，27为为体硅调谐腔1上表面的光学高反射膜，28为体硅调谐腔1下表面的光学高反射膜。

具体实施方式

本发明提出的一种体硅可调谐光学滤波器由体硅调谐腔1，高掺杂的体硅电阻加热器2，下悬臂梁3、上悬臂梁4，表面高掺杂的左悬臂梁5、表面高掺杂的右悬臂梁6，金属导线7、应力平衡金属导线8、左引线区域9，右引线区域10，支撑硅基底11构成。其结构如图1所示。体硅调谐腔1完全由高电阻率的SOI硅片的单晶硅器件层构成，具有很好的平行度和表面光学质量。同时体硅调谐腔1可以制作大通光孔径。高掺杂的体硅电阻加热器2由高浓度的半导体掺杂材料制作，可以制作出设计所需的加热电阻值，并利用其均匀的加热整个体硅调谐腔1并改变其折射率，实现对输出波长的可调谐。下悬臂梁3、上悬臂梁4、表面高掺杂的左悬臂梁5、表面高掺杂的右悬臂梁6四个悬臂架对称分布且共同支撑整个体硅调谐腔1结构。其中表面高掺杂的左悬臂梁5、表面高掺杂的右悬臂梁6的上表面还利用高浓度的半导体掺杂材料制作了具有小电阻的引线区域，可以将金属导线7与左引线区域9和右引线区域10相连接。金属导线7将体硅调谐腔1内的高掺杂的体硅电阻加热器2和表面高掺杂的左悬臂梁5、表面高掺杂的右悬臂梁6相连接，并最终可以从引线区域9和引线区域10两端施加电压于高掺杂的体硅电阻加热器2上，实现输出光信号的调谐。为了平衡金属导线7在体硅调谐腔1上的应力，在对称位置放置了应力平衡金属导线8。支撑硅基底11支撑了整个体硅可调谐光滤波器结构。

本发明提供的可调谐滤波器利用体硅加工工艺制作获得。主要制作流程图如图2所示：

(a)高电阻率的SOI硅片，其电阻率范围为5-1000Ω·cm，顶层器件层可为几微米到几百微米，如图2(a)所示；对SOI硅片进行氧化，表面生长一层0.5μm-2μm的二氧化硅层，如图2(b)所示；在二氧化硅表面进行光刻，并用二氧化硅腐蚀溶液腐蚀二氧化硅层，暴露出需要重掺杂的加热器和悬臂梁上表面引线区域，如图2(c)所示；对暴露出的区域进行硼源重掺杂后，将二氧化硅层去除，如图2(d)所示。

(b)在SOI硅片上表面溅射0.5μm-2μm厚铝金属，并在铝表面光刻出金属导线图形，利用铝腐蚀液腐蚀出铝导线的图形结构，如图2(e)所示；

(c)对SOI硅片上表面进行光刻，定义出体硅调谐腔1和悬臂梁结构区域(其体硅调谐腔可为几十微米至几千微米直径)，并利用干法刻蚀技术对硅片上表面刻蚀到SOI硅片的埋层二氧化硅层，制作出体硅谐振腔和悬臂梁结构区域，如图2(f)所示；

(d)硅片下表面衬底层光刻并暴露出体硅调谐腔及悬臂梁背面需要刻蚀的区域，并用干法深刻蚀或者腐蚀技术将SOI硅片的衬底材料刻蚀至埋层二氧化硅层，利用二氧化硅腐蚀溶液去除埋层二氧化硅层，如图2(g)所示；

(e)在体硅调谐腔上下两个表面制作光学高反射膜层，形成F-P光学干涉腔体，如图2(h)所示。

Claims (9)

1.一种体硅可调谐光学滤波器，其特征在于采用在硅悬臂梁支撑的单晶硅的上下表面制作高反射膜形成的光学F-P干涉腔体，包括SOI硅基底、体硅调谐腔、悬臂梁、金属导线，其中， 

a)利用SOI硅片的器件层作为单晶体硅材料制作可调谐滤波器的光学体硅调谐腔，也即体硅调谐腔完全由高电阻率的SOI硅片的顶层硅的器件层构成； 

b)下悬臂梁，上悬臂梁，表面高掺杂的左悬臂梁和表面高掺杂的右悬臂梁4个悬臂梁对称分布支撑体硅调谐腔，使体硅调谐腔悬空； 

c)在表面高掺杂的左悬臂梁的上表面和表面高掺杂的右悬臂梁的上表面制作了左、右引线区域，将金属导线与引线区域相连接； 

d)在体硅调谐腔上表面内制作高掺杂的体硅加热器，表面高掺杂的左悬臂梁和表面高掺杂的右悬臂梁将高掺杂体硅电阻加热器与左、右引线区域相连接。 

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于体硅调谐腔的上、下表面上制作光学高反射膜层。 

3.按权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述的高电阻率SOI硅片电阻率为5～1000Ω·cm。 

4.权利要求1所述的滤波器，其特征在于顶层硅器件层为几微米到几百微米。 

5.按权利要求1所述的滤波器，其特征在于左引线区域和右引线区域的两端施加电压于高掺杂的体硅电阻加热器上，实现输出信号的调谐。 

6.按权利要求1所述的滤波器，其特征在于SOI硅基底支撑了整个体硅可调谐的滤波器。 

7.按权利要求1所述的滤波器，其特征在于在金属导线的对称位置放置了应力平衡金属导线，以平衡体硅调谐腔上的应力。 

8.制作如权利要求1-7中任一项所述的滤波器的制法，其特征在于基于SOI硅片，采用MEMS体硅加工艺制作，具体步骤是： 

a)将高电阻率SOI硅片进行氧化，表面生长二氧化硅层；对硅片上表面进行光刻，并进行二氧化硅腐蚀，暴露出需要重掺杂的区域；对暴露出的区域进行半导体重掺杂扩散，获得加热电阻和悬臂梁上表面引线区；去除表面二氧化硅层； 

b)对SOI硅片的上表面溅射金属铝后用光刻定义出金属导线图形，并用金属腐蚀液制作出金属导线，应力平衡导线和引线区域的结构； 

c)对SOI硅片上表面光刻定义出体硅调谐腔结构和悬臂梁结构区域，并用深刻蚀工艺刻蚀SOI硅片到掩埋二氧化硅层，制作出悬臂梁和体硅调谐腔结构； 

d)在SOI硅片下表面的衬底层上光刻出刻蚀图形，并利用刻蚀或腐蚀技术将不需要的衬底层去除至SOI硅片的埋层二氧化硅层；利用二氧化硅腐蚀液去除SOI硅片的埋层二氧化硅层； 

e)在体硅调谐腔上下两个表面上分别制作光学高反射膜层，形成F-P光学干涉腔体。 

9.按权利要求8所述的制法，其特征在于： 

①步骤a)表面生长SiO₂层得厚度为0.5～2μm； 

②步骤b)溅射铝金属厚度为0.5μm～2μm； 

③步骤c)所述的体硅调谐腔直径为几十微米至几千微米。 

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