CN104133268A - 光波导及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光波导，其包括一个基底，所述基底内部形成有氩离子改性层；在所述基底的顶面上垂直于所述顶面开设有一个第一凹槽及一个第二凹槽；所述第一凹槽的延伸方向与所述第二凹槽的延伸方向互相平行；所述第一凹槽包括相通的第一窄径段及第一宽径段，所述第一窄径段靠近所述顶面，第一宽径段远离所述顶面；所述第二凹槽包括相通的第二窄径段及第二宽径段，所述第二窄径段靠近所述顶面，第二宽径段远离所述顶面；所述第一宽径段及第二宽径段均贯穿所述氩离子改性层；所述第一凹槽与所述第二凹槽之间形成一个突起部；所述突起部的下底面位于所述氩离子改性层；所述突起部扩散有钛金属。本发明还涉及一种光波导的制造方法。

Description

光波导及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光波导及其制造方法。

背景技术

光波导作为光电元件中较为常见的元件可以有效传递光信号。然而一般平面光波导中，因为钛扩散区域较广，往往折射率对比较不明显，所以容易使得光在传输时容易有损耗产生。所以后来又提出了脊型式光波导，这种光波导结构就是属于立体的光波导结构，因为脊型的结构，使得光波导的上侧左侧及右侧都是与空气接触，空气折射率为1，而一般平面光波导只有上侧的部分为空气，所以相对起来光波导的折射率对比较为明显，所以光波导较比平面光波导的光损耗小而被广泛使用。但是由于被制造出来的光波导的脊型顶面及两侧不平整，光遇到也会被散射，并且由于脊型的结构，使得光波导的下侧并未与空气接触而是与基底相连，折射率对比较不明显，从而无法将光损耗降到更低。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种有效降低光损耗的光波导及其制造方法。

一种光波导，其包括一个基底，所述基底内部形成有氩离子改性层；在所述基底的顶面上垂直于所述顶面开设有一个第一凹槽及一个第二凹槽；所述第一凹槽的延伸方向与所述第二凹槽的延伸方向互相平行；所述第一凹槽包括相通的第一窄径段及第一宽径段，所述第一窄径段靠近所述顶面，第一宽径段远离所述顶面；所述第二凹槽包括相通的第二窄径段及第二宽径段，所述第二窄径段靠近所述顶面，第二宽径段远离所述顶面；所述第一宽径段及第二宽径段均贯穿所述氩离子改性层；所述第一凹槽与所述第二凹槽之间形成一个突起部；所述突起部的下底面位于所述氩离子改性层；所述突起部扩散有钛金属。

一种上述的光波导的制造方法，其包括以下步骤：提供一个基底；在所述基底内部布植氩离子，从而在所述基底的内部形成一层氩离子改性层；在所述基底上垂直于所述基底的顶面切割出第一槽体及第二槽体，所述第一槽体及第二槽体均贯穿所述氩离子改性层，所述第一槽体及第二槽体之间形成一个凸柱；蚀刻所述第一槽体及第二槽体的侧壁，将所述第一槽体制作形成所述第一凹槽，将所述第二槽体制作形成所述第二凹槽，从而将所述凸柱制作形成一个凸起结构；所述第一凹槽包括相通的第一窄径段及第一宽径段，所述第一窄径段靠近所述顶面，第一宽径段远离所述顶面；所述第二凹槽包括相通的第二窄径段及第二宽径段，所述第二窄径段靠近所述顶面，第二宽径段远离所述顶面；所述第一宽径段及第二宽径段均贯穿所述氩离子改性层；所述凸起结构形成于所述第一凹槽与所述第二凹槽之间，所述凸起结构与所述光波导的突起部的形状尺寸相同，所述凸起结构的底面位于所述氩离子改性层；在所述凸起结构的顶面镀一个钛金属层；及对所述钛金属层进行高温扩散，使所述钛金属层扩散到凸起结构内，从而将所述凸起结构制作形成所述突起部，从而形成所述光波导。

本发明的光波导及其制造方法，通过在基底内部布植氩离子，之后再进行蚀刻及进行钛金属层的扩散，从而可以形成与空气接触面积较大的突起部，使折射率对比较明显，从而将光损耗降到更低；另外，通过切割、蚀刻及钛金属扩散得到的突起部的侧面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光的利用率。

附图说明

图1为本发明提供的光波导的结构示意图。

图2-3为本发明提供的光波导的制造方法的制程示意图。

图4为本发明提供的光波导的制造方法的流程图。

主要元件符号说明

光波导	100
		基底	10
氩离子改性层	20
		顶面	11
第一凹槽	12
		第二凹槽	13
突起部	14
		第一窄径段	121
第一宽径段	122
		第二窄径段	131
第二宽径段	132
		上顶面	141
下底面	144
		第一侧面	142
第二侧面	143
		第三侧面	145
第四侧面	146
		保护膜	110
第一槽体	15
		第二槽体	16
凸柱	17
		第一底面	151
第二底面	161
		蚀刻阻抗层	120
凸起结构	18
		光致蚀刻剂层	130
钛金属层	30

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图对本技术方案实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图1，为本技术方案提供的光波导100，其包括一个基底10，所述基底10的材料采用铌酸锂晶体。

所述基底10内部形成有氩离子改性层20。

在所述基底10的顶面11上垂直于所述顶面11开设有一个第一凹槽12及一个第二凹槽13。在与所述顶面11平行的方向上，所述第一凹槽12的延伸方向与所述第二凹槽13的延伸方向互相平行，此方向也即本技术方案的光波导100的延伸方向。在与所述顶面11垂直的方向上，所述第一凹槽12的延伸方向与所述第二凹槽13的延伸方向也互相平行。

所述第一凹槽12包括相通的第一窄径段121及第一宽径段122，所述第一窄径段121靠近所述顶面11，第一宽径段122远离所述顶面11，所述第一宽径段122贯穿所述氩离子改性层20。所述第一窄径段121的与所述光波导100的延伸方向垂直的横截面的形状为方形，所述第一宽径段122的与所述光波导100的延伸方向垂直的横截面的形状为六边形。所述第二凹槽13包括相通的第二窄径段131及第二宽径段132，所述第二窄径段131靠近所述顶面11，第二宽径段132远离所述顶面11，所述第二宽径段132贯穿所述氩离子改性层20。所述第二窄径段131的与所述光波导100的延伸方向垂直的横截面的形状为方形，所述第二宽径段132的与所述光波导100的延伸方向垂直的横截面的形状为六边形。

从所述基底10的顶面11到所述第一凹槽12的底部的距离与从所述基底10的顶面11到所述第二凹槽13的底部的距离相等，且所述距离越深越好，本实施方式中，所述距离为30微米。所述第一凹槽12与所述第二凹槽13之间的距离也可以根据不同种类不同光长的光具体设定，本实施方式中，采用光长小于9微米的单模光，所述第一凹槽12与所述第二凹槽13之间的距离为9微米。

所述第一凹槽12与所述第二凹槽13之间形成一个突起部14，所述突起部14上扩散有钛金属。由于所述第一凹槽12及所述第二凹槽13的形状，从而使所述突起部14为上宽下窄的形状，且所述突起部14包括相平行的上顶面141、下底面144以及连接于所述上顶面141和下底面144之间的第一侧面142、第三侧面145、第四侧面146及第二侧面143，所述突起部14的下底面144与所述基底10相连，所述上顶面141及四个侧面与空气相接触，所述上顶面141尺寸大于所述下底面144的尺寸。所述下底面144位于所述氩离子改性层20。所述第一侧面142对应于所述第一窄径段121，第二侧面143对应于所述第二窄径段131，第三侧面145对应于所述第一宽径段122，第四侧面146对应于所述第二宽径段132。所述第一侧面142与所述第二侧面143平行且均与所述上顶面141垂直相连。所述第三侧面145及所述第四侧面146与所述下底面144相连。

本技术方案的光波导100的突起部14的侧面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光的利用率；且本技术方案的光波导100的突起部14相比于传统的脊型结构的光波导的突起部多了两个与空气接触的面，即第三侧面145及第四侧面146，也即减少了光波导100的突起部14与基底10的接触面积，使折射率对比较明显，从而将光损耗降到更低。

请一并参阅图2至图4，本技术方案实施方式提供的光波导100的制造方法，其包括以下步骤：

S10：提供一个基底10。

所述基底10呈矩形，所述基底10具有顶面11。由于铌酸锂(LiNbO₃)晶体(LN)具有较高的反应速度，而且铌酸锂扩散金属钛(单质)可以形成折射率渐变型的加载光波导，因此，所述基底10的材料采用铌酸锂晶体。

S12：在所述基底10内部布植氩离子，从而在所述基底10的内部形成一层与所述基底10的顶面11平行的氩离子改性层20。

其中，在所述顶面11上形成保护膜110以保护不需要布植氩离子的区域。通过环形加速器对所述氩离子进行加速从而在所述基底10的内部布植氩离子。氩离子布植至所述基底10的内部从而破坏所述铌酸锂晶体的晶格结构，控制加速能量及加速时间以控制氩离子布植的深度，从而在所述基底10的内部预定深度形成一层与所述基底10的顶面11平行的氩离子改性层20。参考第一实施例，本实施方式最终形成的第一凹槽12及所述第二凹槽13的底部至所述顶面11的距离为30微米，故，本实施方式中形成的氩离子改性层20至所述顶面11的距离小于30微米。

S14：去除所述保护膜110，在所述基底10上垂直于所述基底10的顶面11切割出第一槽体15及第二槽体16，所述第一槽体15及所述第二槽体16之间形成一个凸柱17。

其中，切割时采用晶圆切割机，并采用精密的切割砂轮。所述第一槽体15、所述第二槽体16及所述凸柱17均为方形。所述第一槽体15及所述第二槽体16深度相同。所述第一槽体15具有第一底面151，所述第二槽体16具有第二底面161。本实施方式中，所述第一底面151及所述第二底面161至所述顶面11的距离为30微米，即所述第一槽体15及所述第二槽体16均贯穿所述氩离子改性层20，从而所述凸柱17靠近底部的位置包括一层氩离子改性层20。所述第一槽体15及所述第二槽体16之间的距离为9微米。

S16：将经过切割后的基底10进行清洗。

S18：在形成了第一槽体15及第二槽体16的基底10上镀一个蚀刻阻抗层120。

其中，所述蚀刻阻抗层120镀设于所述基底10的顶面11、第一底面151及第二底面161上。本实施方式中，所述蚀刻阻抗层120采用铬金属。

S20：将设置有所述蚀刻阻抗层120的基底10浸入第一种蚀刻液中进行湿式蚀刻形成一个凸起结构18。

由于所述基底10为铌酸锂晶体，则所述第一种蚀刻液为氢氟酸。在蚀刻过程中，由于所述氩离子改性层20处的晶格结构被氩离子破坏，故所述第一种蚀刻液在所述氩离子改性层20处的蚀刻速率大于其他部位的蚀刻速率，即，所述第一槽体15及第二槽体16的靠近其开口段的侧壁处的蚀刻速率最小，所述第一槽体15及第二槽体16的侧壁的氩离子改性层20所在的位置蚀刻速率最大，所述氩离子改性层20所在的位置两侧的蚀刻速率较所述氩离子改性层20所在的位置的蚀刻速率递减。所述第一槽体15的靠近其开口段的侧壁少量被第一蚀刻液蚀刻形成第一窄径段121，所述第二槽体16的靠近其开口段的侧壁少量被第一蚀刻液蚀刻形成第二窄径段131，所述第一窄径段121的宽度略大于所述第一槽体15的宽度，所述第二窄径段131的宽度略大于所述第二槽体16的宽度，所述第一槽体15及第二槽体16的远离开口段的侧壁分别被第一蚀刻液蚀刻成截面为六边形的第一宽径段122及第二宽径段132，所述六边形有两个对角位于所述氩离子改性层20的靠中间位置，所述第一窄径段121与所述第一宽径段122相通，即形成所述第一凹槽12，所述第二窄径段131与所述第二宽径段132相通，即形成所述第二凹槽13。也即，所述第一凹槽12包括相通的第一窄径段121及第一宽径段122，所述第一窄径段121靠近所述顶面11，第一宽径段122远离所述顶面11，所述第一宽径段122贯穿所述氩离子改性层20。所述第二凹槽13包括相通的第二窄径段131及第二宽径段132，所述第二窄径段131靠近所述顶面11，第二宽径段132远离所述顶面11，所述第二宽径段132贯穿所述氩离子改性层20。所述凸柱17被第一蚀刻液蚀刻从而形成凸起结构18，所述凸起结构18与所述突起部14的形状尺寸相同。

S22：去掉所述蚀刻阻抗层120。

具体是将蚀刻阻抗层120浸入第二种蚀刻液中，从而去掉所述蚀刻阻抗层120，暴露出所述第一凹槽12、第二凹槽13及所述凸起结构18。本实施方式中，所述第二种蚀刻液为含有硝酸的铬蚀刻液。

S24：在所述基底10的顶面11、所述第一凹槽12与所述第二凹槽13内以及所述凸起结构18的上顶面141形成光致蚀刻剂层130。

形成光致蚀刻剂层130的方式为高速旋转涂布，转速优选6000转以上。

S26：通过曝光及显影制程去除所述凸起结构18的上顶面141的光致蚀刻剂层130。

S28：在所述凸起结构18的上顶面141及所述光致蚀刻剂层130表面镀上一层钛金属层30。

S30：去除所述光致蚀刻剂层130，从而在所述凸起结构18的上顶面141形成钛金属层30。

S32：对所述钛金属层30进行高温扩散，使所述钛金属层30扩散到凸起结构18内，从而将所述凸起结构18制作形成所述突起部14，从而形成所述光波导100。

其中，扩散时的温度为1020度。

上述光波导的制造方法，通过在基底10内部布植氩离子，之后再进行湿蚀刻，最后进行钛金属层30的扩散，从而可以形成与空气接触面积较大的突起部14，使折射率对比较明显，从而将光损耗降到更低；另外，通过切割、湿蚀刻及钛金属扩散得到的突起部14的侧面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光的利用率。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光波导，其包括一个基底，所述基底内部形成有氩离子改性层；在所述基底的顶面上垂直于所述顶面开设有一个第一凹槽及一个第二凹槽；所述第一凹槽的延伸方向与所述第二凹槽的延伸方向互相平行；所述第一凹槽包括相通的第一窄径段及第一宽径段，所述第一窄径段靠近所述顶面，第一宽径段远离所述顶面；所述第二凹槽包括相通的第二窄径段及第二宽径段，所述第二窄径段靠近所述顶面，第二宽径段远离所述顶面；所述第一宽径段及第二宽径段均贯穿所述氩离子改性层；所述第一凹槽与所述第二凹槽之间形成一个突起部；所述突起部的下底面位于所述氩离子改性层；所述突起部扩散有钛金属。

2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述基底的材料采用铌酸锂晶体。

3.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述突起部包括相平行的上顶面和底面以及连接于所述上顶面和下底面之间的第一侧面、第三侧面、第四侧面及第二侧面，所述第一侧面对应于所述第一窄径段，第二侧面对应于所述第二窄径段，第三侧面对应于所述第一宽径段，第四侧面对应于所述第二宽径段，所述下底面与所述基底相连，所述上顶面及四个侧面与空气相接触，所述上顶面尺寸大于所述下底面的尺寸，所述第一侧面与所述第二侧面平行且均与所述上顶面垂直相连。

4.如权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述第一凹槽与所述第二凹槽之间的距离为9微米。

5.一种如权利要求1~4任一项所述的光波导的制造方法，其包括以下步骤：

提供一个基底；

在所述基底内部布植氩离子，从而在所述基底的内部形成一层氩离子改性层；

在所述基底上垂直于所述基底的顶面切割出第一槽体及第二槽体，所述第一槽体及第二槽体均贯穿所述氩离子改性层，所述第一槽体及第二槽体之间形成一个凸柱；

蚀刻所述第一槽体及第二槽体的侧壁，将所述第一槽体制作形成所述第一凹槽，将所述第二槽体制作形成所述第二凹槽，从而将所述凸柱制作形成一个凸起结构；所述第一凹槽包括相通的第一窄径段及第一宽径段，所述第一窄径段靠近所述顶面，第一宽径段远离所述顶面；所述第二凹槽包括相通的第二窄径段及第二宽径段，所述第二窄径段靠近所述顶面，第二宽径段远离所述顶面；所述第一宽径段及第二宽径段均贯穿所述氩离子改性层；所述凸起结构形成于所述第一凹槽与所述第二凹槽之间，所述凸起结构与所述光波导的突起部的形状尺寸相同，所述凸起结构的下底面位于所述氩离子改性层；

在所述凸起结构的上顶面镀一个钛金属层；及

对所述钛金属层进行高温扩散，使所述钛金属层扩散到凸起结构内，从而将所述凸起结构制作形成所述突起部，从而形成所述光波导。

6.如权利要求5所述的光波导的制造方法，其特征在于，在所述基底内部布植氩离子步骤前，还包含在所述顶面部分区域形成保护膜的步骤，在所述基底内部布植氩离子步骤之后及在所述基底上垂直于所述基底的顶面切割出第一槽体及第二槽体之前，还包含去除所述保护膜的步骤。

7.如权利要求5所述的光波导的制造方法，其特征在于，通过环形加速器对所述氩离子进行加速从而在所述基底内部布植氩离子，其中，控制加速能量及加速时间以控制氩离子布植的深度，从而在所述基底的内部预定深度形成所述氩离子改性层。

8.如权利要求5所述的光波导的制造方法，其特征在于，所述第一槽体具有第一底面，所述第二槽体具有第二底面，在蚀刻所述第一槽体及第二槽体的侧壁之前，还包括在所述基底的顶面以及所述第一底面及第二底面镀一个蚀刻阻抗层的步骤；在所述凸起结构的顶面镀一个钛金属层之前，还包括去掉所述蚀刻阻抗层的步骤。

9.如权利要求8所述的光波导的制造方法，其特征在于，所述蚀刻阻抗层为铬金属，通过含有硝酸的铬蚀刻液蚀刻去掉所述蚀刻阻抗层。

10.如权利要求5所述的光波导的制造方法，其特征在于，在所述凸起结构的顶面镀一个钛金属层的步骤包括：在所述基底的顶面、所述第一凹槽与所述第二凹槽内以及所述凸起结构的上顶面形成光致蚀刻剂层；通过曝光及显影制程去除所述凸起结构的上顶面的光致蚀刻剂层；在所述凸起结构的上顶面及所述光致蚀刻剂层表面镀上一层钛金属层；以及去除所述光致蚀刻剂层，从而在所述凸起结构的上顶面形成钛金属层。