CN104678501A - 一种梯度折射率波导装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度折射率波导装置及其制备方法，包括GRIN透镜以及包层，GRIN透镜包括衬底、波导层和至少两个GRIN层，最底层的GRIN层沉积在衬底上，所述波导层位于任意相邻的两个GRIN层之间，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐渐变大。本发明解决了现有的波导装置中的GRIN透镜无法进行逐层光刻和刻蚀，导致保真度下降，精度降低的技术问题，本发明GRIN透镜是由PLC技术制作的，PLC技术的优点是可以将GRIN透镜中GRIN层和波导层集成在同一个芯片上，采用PLC技术的GRIN透镜具有单片集成，成本低、可靠性好的优点。

Description

一种梯度折射率波导装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度折射率波导装置及其制备方法。

背景技术

渐变折射率波导(也称作GRIN波导或GRIN透镜)具有在一个或多个维度聚焦光的能力。GRIN透镜这种透镜属性可以用来耦合两个模斑尺寸相差较大的波导。例如，如图1a、图2a、图3a、图4a、图5所示，可以用于光纤1和更小尺寸波导之间的耦合。GRIN透镜也可以用于大发散角光源(比如图5所示的半导体激光器4发射的光)的准直和再聚焦。在这种应用中GRIN透镜的功能类似一个成像光学元件。

图3是利用单片集成GRIN透镜进行光纤到PLC光波导耦合的示意图。这里假设光波导与光纤在尺寸上有非常大的差别，这种情况下如果光纤直接和PLC光波导耦合，将会有比较高的光能损失。如图3a是耦合的纵向截面图，GRIN的折射率在垂直方向变化(按照图中的坐标定义是y方向)。右边的图3b是垂直方向上(图中坐标轴定义的Y方向)GRIN透镜的折射率分布。折射率分布呈抛物线型，折射率最高的部分在GRIN的中心，远离中心折射率逐渐降低。折射率绝对值和折射率的变化量取决于输出光斑的尺寸、GRIN的长度、光纤所需的光斑的大小。GRIN和波导都被包围在包层材料中，通常包层材料的折射率比GRIN和波导的折射率都要小，其折射率是固定的。光束通过光纤的输出端进入GRIN透镜的输入端，光束在GRIN透镜内汇聚，GRIN透镜输出的光束尺寸满足光波导所需的光斑尺寸。在这个例子中通过选择合适的GRIN长度尺寸和折射率分布可以实现最佳的耦合效率。

图4a是GRIN透镜的俯视图。GRIN的折射率在横向(图中定义的x轴方向)上并不改变。也就是说，在任意的y位置，GRIN内的折射率是沿x方向均匀(参见图4b)。GRIN透镜的宽度选取到与光纤模斑最佳匹配。一旦光在垂直方向会聚到GRIN透镜末端的波导中，可以进一步将波导的宽度渐变到任意需要的宽度。

图3至4中梯度GRIN透镜被用作聚焦透镜。GRIN透镜把从光纤输出的光会聚成较小尺寸的光斑与光波导匹配。同一个GRIN透镜折射率分布也可以用作成像元件。

图5是GRIN透镜将激光出射的发散光束耦合到波导的示意图。在这种情况下，从激光器发出的光为高度发散。GRIN在这里的作用是捕获这个发散光束并重新调整光束尺寸到能和PLC波导高效耦合。这里提到的成像GRIN透镜与前面的聚焦GRIN透镜具有相同的折射率分布，唯一的差别是长度。

传统商用的GRIN透镜采用体材料和离子交换技术，这类体材料制作的GRIN透镜是分立的光学元件，因此当这类GRIN透镜与其他分立光学元件同时使用时需要额外的封装，操作以及成本。例如使用分立GRIN透镜进行平面光波导(PLC)和光纤的耦合时，GRIN透镜必须同时与PLC和光纤达到微米量级的精确光学对准，并且元件间的连接材料必须可靠，稳定、透明，至少十年不能失效。

图1a和图1b中所示的是现有技术。现有技术所公开的制作方法中，波导层仅限定于整个结构的最底层。这是一个次优的结构，仅仅能作为一个准直透镜使用。它不能作为成像透镜对激光器波导进行耦合。为了使GRIN结构处于最优状态，波导层应该放在整个层状结构的最中间。图2a和图2b中所示的是传统GRIN，这类GRIN是一个分立元件不能集成到芯片上，被称为传统的块状GRIN。这种GRIN的制作方法与本发明不同，一般使用离子交换等技术。

如图1b中所示的为现有技术的GRIN透镜。该GRIN透镜生长为一个较厚的层状结构，该层状结构的生长过程中材料的组分随厚度不同而不同。一旦整个层状结构生长(或沉积)完成，对整个层状结构进行光刻和刻蚀。

同样光刻和刻蚀较厚的层状结构也存在一些缺点。刻蚀较厚的层状结构会使工艺的保真度下降，波导的轮廓变差，精度降低，边缘的粗糙度加大；并且这种工艺制作过程中需要对材料参数进行在线监测(比如监控折射率相对位置的关系)，如果参数精度不够，就不能达到最佳的结果。

发明内容

为了解决现有技术的波导装置中的GRIN透镜无法进行逐层光刻和刻蚀导致保真度下降，波导的轮廓变差，精度降低的技术问题，本发明提供一种梯度折射率波导装置及其制备方法。

本发明的技术解决方案：

一种梯度折射率波导装置，包括GRIN透镜以及包层，其特殊之处在于：所述GRIN透镜包括衬底、波导层和至少两个GRIN层，最底层的GRIN层沉积在衬底上，所述波导层位于任意相邻的两个GRIN层之间，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐渐变大。

上述GRIN透镜包括衬底、波导层和GRIN层，所述GRIN层沉积在衬底上，所述波导层沉积在GRIN层上，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，所述波导层的折射率大于GRIN层的折射率。

每个GRIN层包括至少两个GRIN子层，所述波导层包括至少两个波导子层。

每个GRIN层中的每个GRIN子层的折射率相同或不相同，波导层中的每个波导子层的折射率相同或不相同。

每个GRIN层中的每个GRIN子层的折射率随着与波导层之间距离的缩短而逐渐变大。

上述GRIN层的长度或宽度随着与波导层之间距离的增长而逐渐变短。

上述的波导层和GRIN层的材料为氮氧化硅Silicon Oxynitride、碳氧化硅Silicon Oxycarbide、聚合物Polymers、掺杂的二氧化硅Doped glasses、旋涂的二氧化硅Spin on Glasses和铟镓砷磷合金Indium Gallium ArsenidePhosphide alloys中一种或多种的组合。

一种梯度折射率波导元件的制备方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】确定波导层的位置，并准备衬底；最底层的GRIN层定义为第一GRIN层，依次定义，最顶层的GRIN层为第N GRIN层，其中最底层的GRIN层距离衬底最近；

2】按照波导层的位置确定各个GRIN层的折射率；

波导层的折射率最高，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐层逐渐变大；

3】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第一GRIN层：

3.1】制备：在衬底上进行至少一次半导体材料沉积，形成第一GRIN层；

3.2】对GRIN透镜的第一GRIN层进行光刻和刻蚀，后去胶；

3.3】对GRIN透镜的第一GRIN层进行包层沉积；包层材料的折射率小于或等于所有GRIN层中的最小折射率；

3.4】将包层磨平至第一GRIN层的上表面；

4】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第二GRIN层：

4.1】在第一GRIN层的顶部，进行至少一次半导体材料沉积；

4.2】对GRIN透镜的第二GRIN层进行光刻和刻蚀，后去胶；

4.3】对GRIN透镜的第二GRIN层进行包层沉积；包层材料的折射率小于或等于小于或等于所有GRIN层中的最小折射率；

4.4】将包层磨平至第二GRIN层的上表面；

4】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第三GRIN层；

依次类推，直至制备到GRIN透镜的最顶层的GRIN层。

其中折射率最大的GRIN层为波导层。

上述衬底由硅片和热氧化二氧化硅层或气相沉积的二氧化硅层构成。

还包括折射率测量步骤：在每个GRIN层制作完成后还要对该GRIN层的折射率进行测量。

每个GRIN层的材料为氮氧化硅Silicon Oxynitride、碳氧化硅SiliconOxycarbide、聚合物Polymers、掺杂的二氧化硅Doped glasses、旋涂的二氧化硅Spin on Glasses和铟镓砷磷合金Indium Gallium Arsenide Phosphidealloys中一种或多种的组合；

制备每层GRIN层的沉积方式和包层的沉积方式：包括等离子增强化学气相沉积法(PEVCD)、高密度等离子体化学气相淀积法(HDPCVD)、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、溅射沉积法或旋涂法。

上述光刻通过步进式光刻机、接触式光刻机或、电子束直写来完成；所述刻蚀通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子体。

上述磨平通过化学机械抛光(CMP)或腐蚀来实现。

本发明所具有的优点：

1、本发明GRIN透镜是由PLC技术制作的，PLC技术的优点是可以将GRIN透镜中GRIN层和波导层集成在同一个芯片上。与传统分立的GRIN透镜需要分别封装相比，采用PLC技术的GRIN透镜具有单片集成，成本低、可靠性好的优点。GRIN透镜必需能与PLC的其余部分的波导的平台和结构相容，PLC其余部分的光波导的厚度和折射率是稳定的。而GRIN透镜及其制备工艺必须与PLC的光波导其它部分兼容。

2、本发明采取氮氧化硅(SiON)材料，同时适用于GRIN层及PLC波导层的制备。SiON根据元素间组合的不同，折射率可以在1.45至2.0之间变化(在1500nm波段范围)。SiON材料通常采用化学汽相沉积(CVD)法生长的。生长过程中，通过控制气体的不同浓度来实现不同的折射率变化，也就是说，通过SiON元素间不同的组合实现折射率的不同变化。

3、本发明在每一层GRIN层制作完成后进行折射率和厚度测量，如果某一步骤后折射率或厚度不符合设计要求，可在该步骤中进行纠正或在随后步骤中采取补偿措施。每层GRIN层具有特定的折射率分布和厚度。折射率分布可以是恒定的、连续梯度变化或分布梯度变化。生长完成后，折射率和厚度可以通过各种方式(如椭圆光度法)精确测定。如折射率和厚度不符合设计要求，可以在这时废弃晶片(避免进一步的时间或材料浪费)或采取纠正措施(增加相应的层或者修改后继层的设计来弥补)。

4、本发明公开了一种用平面光波导(PLC)技术制作渐变折射率(GRIN)元件的新方法。此方法区别于现有技术之处在于高保真度的工艺过程，并有利于工艺过程中的监控，且设计灵活。

5、本发明的GRIN层在长度方向改变，通过这种方式将前端面从平面改变成一个接近曲面的形状，类似一个透镜的作用，对入射光进行相位上的修改。GRIN层在宽度方向改变：改变入射面的形状，使其接近输入光斑形状(比如光纤出射面是圆形就修改成接近圆形)，可以增加耦合效率。

附图说明

图1a是现有技术波导装置实现光纤耦合的示意图；

图1b为现有技术GRIN透镜的折射率在Y轴方向上分布示意图；

图2a是传统GRIN透镜装置实现光纤耦合的侧视图；

图2b为传统GRIN透镜的折射率在Y轴方向上分布示意图；

图3a是本发明单片集成GRIN透镜进行光纤到PLC光波导耦合的示意图；

图3b为本发明GRIN透镜的折射率在Y轴方向上分布示意图；

图4a是图3a的俯视图：

图4b为本发明GRIN透镜的折射率是沿x方向分布示意图；

图5是本发明GRIN透镜将激光出射的发散光束耦合到波导的示意图。

图6为本发明的结构示意图；

图7为本发明梯度折射率波导装置的一种实施例示意图；

图8为本发明梯度折射率波导装置的另一种实施例示意图；

图9为图8主视图；

图10本发明流程示意图。其中附图标记为：1-光纤，B-波导层，G、G1、G2、G3、G4、G5、G6-GRIN层，21-衬底，22-波导子层，23-GRIN子层，3-包层，4-激光器。

具体实施方式

下面将通过几个特殊的例子以及描述来阐述本发明与现有技术的区别及优势：

实施例1：

本发明的方法逐层进行GRIN元件的生长和刻蚀。如图6所示的实施方案，是多层生长的GRIN元件。图中G1，G2，G3，B，G4，G5，G6代表不同层，T1，T2，T3，T4，T5，T6分别表示每层的厚度。GRIN透镜由七层构成，也可以由其它层数构成。每层的制备工序先后为沉积、光刻，刻蚀、沉积包层及将包层的顶部磨平至GRIN层的顶部。后续层将在前一层基础上进行沉积，光刻，刻蚀，然后根据需求进行包层沉积及磨平。在GRIN透镜中的每一GRIN层折射率可以是恒定的，也可以通过某种规则进行改变。层层堆积最终形成GRIN元件。这种逐层制作的方法可以很好的对每层的折射率以及刻蚀质量进行控制。在每一层完成生长之后，可以通过非在线的方式对其折射率和厚度进行更加精确的测量。例如，当发现某特定层的折射率偏离期望值，可以及时停止或在后继层中弥补这种偏差，这将大大节省材料和时间，而且使设计更加灵活。这种方法的另一个优点在于，GRIN层之一可以作为光波导层，逐层制作的方法允许在GRIN层内插入波导层，而不需在GRIN层的最上面的或最下面。波导层自身可以是渐变折射率也可以是均匀折射率分布。图7GRIN透镜的各层可以由不同的子层构成。子层与主层的不同之处在于它不单独进行光刻和刻蚀，子层可以具有相同的折射率或梯度折射率分布。一系列子层组成一个主层，在每个主层上进行光刻和刻蚀。子层可以引入进一步的折射率细分。例如，一个主层可以由折射率均匀的若干子层构成，也可以由折射率不同的子层构成,折射率不同的子层使主层的折射率更有效的实现梯度渐变。逐层制备方法的另一个优点是，每一层沉积、光刻、刻蚀、包层沉积和磨平可以是独立的。如图8，图中的GRIN透镜的输入端，每层开始于不同的起始位置，这可以用于调整相位或用于其他目的。例如，起始位置不同可以达到在GRIN透镜的基础上增加另一个透镜的效果。通过这种方式将前端面从平面改变成一个接近曲面的形状，类似一个透镜的作用，对入射光进行相位上的修改。

图9中所示，在这种情况下，每个GRIN层的横向宽度都有所调整。优化输入模式的形状，以更好的适应不同的输入场分布。GRIN层的起始位置(图8中示出)，以及GRIN宽度(图9中示出)可同时进行优化。在整个的GRIN结构中，各层的宽度也可独立地变化，这在传统的GRIN制备中是不可能实现的。

制备示例：

在图10中所示的流程图是逐层制备GRIN元件的典型方法：

1、衬底由硅片及热氧化二氧化硅层(也可以是气相沉积的二氧化硅层)构成。

2、GRIN透镜的第一层可以采取很多种方法来实现：如等离子增强化学气相沉积法(PEVCD)、高密度等离子体化学气相淀积法(HDPCVD)、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、溅射沉积法或旋涂法。这层(G1)具有特定的折射率分布和厚度。折射率分布可以是恒定的、连续梯度变化或分布梯度变化。生长完成后，折射率和厚度可以通过各种方式(如椭圆光度法)精确测定。如折射率和厚度不符合设计要求，可以在这时废弃晶片(避免进一步的时间或材料浪费)或采取纠正措施(增加相应的层或者修改后继层的设计来弥补)。波导层和GRIN层的材料为氮氧化硅Silicon Oxynitride、碳氧化硅Silicon Oxycarbide、聚合物Polymers、掺杂的二氧化硅Doped glasses、旋涂的二氧化硅Spin on Glasses和铟镓砷磷合金Indium Gallium Arsenide Phosphide alloys中一种或多种的组合。

3、对GRIN透镜的第一层进行光刻和刻蚀。光刻可以通过步进式光刻机，接触式光刻机或者电子束直写来完成。刻蚀可以通过反应离子刻蚀，感应耦合等离子体等方法来完成。

4、对GRIN元件的第一层进行包层沉积。包层的折射率低于所有层的折射率。包层的沉积可以通过很多种方法完成，如等离子增强化学气相沉积法(PEVCD)、高密度等离子体化学气相淀积法(HDPCVD)、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、溅射沉积法或旋涂法等。

5、包层被磨平至GRIN的上表面。磨平可以通过CMP(化学机械抛光)，或腐蚀来实现。包层有多少量残留在GRIN层的顶部，通过具体需要进行针对设计。

6、GRIN透镜第二个层沉积在现有的GRIN层的顶部。第二层通过类似于第一GRIN层的方法沉积。第二GRIN层具有其特定的第二种折射率分布和厚度。

7、第二个GRIN层通过类似于第一个GRIN层的方法进行光刻和刻蚀。第二个GRIN层的图型可能与第一个GRIN层不同。

8、在第二GRIN层周围沉积包层，沉淀方法类似于第一GRIN层包层沉积。

9、该包层可以磨平到第二GRIN层的上表面。所述第二包层的折射率可以是类似于第一包层的折射率，也可以是不同的，这取决于设计。磨平的方法类似于用于第一包层磨平使用的方法。

后续的GRIN层沉积，光刻和蚀刻，包层沉积，并磨平和前两层类似，如图10所示步骤进行。在上述每一个步骤后都需要对折射率进行精确测量。如果某一步骤后折射率或厚度不符合设计要求，可在该步骤中进行纠正或在随后步骤中采取补偿措施。

这种制备方法可采用不同的材料，沉积方法，光刻和蚀刻方法，包层制备方法及磨平方法都属于此专利的保护范畴。

Claims (13)

1.一种梯度折射率波导装置，包括GRIN透镜以及包层，其特征在于：所述GRIN透镜包括衬底、波导层和至少两个GRIN层，最底层的GRIN层沉积在衬底上，所述波导层位于任意相邻的两个GRIN层之间，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐渐变大。

2.一种梯度折射率波导装置，包括GRIN透镜以及包层，其特征在于：所述GRIN透镜包括衬底、波导层和GRIN层，所述GRIN层沉积在衬底上，所述波导层沉积在GRIN层上，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，所述波导层的折射率大于GRIN层的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的梯度折射率波导装置，其特征在于：每个GRIN层包括至少两个GRIN子层，所述波导层包括至少两个波导子层。

4.根据权利要求3所述的梯度折射率波导装置，其特征在于：每个GRIN层中的每个GRIN子层的折射率相同或不相同，波导层中的每个波导子层的折射率相同或不相同。

5.根据权利要求4所述的梯度折射率波导装置，其特征在于：每个GRIN层中的每个GRIN子层的折射率随着与波导层之间距离的缩短而逐渐变大。

6.根据权利要求5所述的梯度折射率波导装置，其特征在于：所述GRIN层的长度或宽度随着与波导层之间距离的增长而逐渐变短。

7.根据权利要求1-6之任一所述的梯度折射率波导装置，其特征在于：所述的波导层和GRIN层的材料为氮氧化硅Silicon Oxynitride、碳氧化硅SiliconOxycarbide、聚合物Polymers、掺杂的二氧化硅Doped glasses、旋涂的二氧化硅Spin on Glasses和铟镓砷磷合金Indium Gallium Arsenide Phosphidealloys中一种或多种的组合。

8.一种梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】确定波导层的位置，并准备衬底；最底层的GRIN层定义为第一GRIN层，依次定义，最顶层的GRIN层为第N GRIN层，其中最底层的GRIN层距离衬底最近；

2】按照波导层的位置确定各个GRIN层的折射率；

波导层的折射率最高，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐层逐渐变大；

3】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第一GRIN层：

3.1】制备：在衬底上进行至少一次半导体材料沉积，形成第一GRIN层；

3.2】对GRIN透镜的第一GRIN层进行光刻和刻蚀，后去胶；

3.3】对GRIN透镜的第一GRIN层进行包层沉积；包层材料的折射率小于或等于所有GRIN层中的最小折射率；

3.4】将包层磨平至第一GRIN层的上表面；

4】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第二GRIN层：

4.1】在第一GRIN层的顶部，进行至少一次半导体材料沉积；

4.2】对GRIN透镜的第二GRIN层进行光刻和刻蚀，后去胶；

4.3】对GRIN透镜的第二GRIN层进行包层沉积；包层材料的折射率小于或等于小于或等于所有GRIN层中的最小折射率；

4.4】将包层磨平至第二GRIN层的上表面；

5】根据确定的折射率，制备GRIN透镜的第三GRIN层；

依次类推，直至制备到GRIN透镜的最顶层的GRIN层。

其中折射率最大的GRIN层为波导层。

9.根据权利要求8所述的梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：所述衬底由硅片和热氧化二氧化硅层或气相沉积的二氧化硅层构成。

10.根据权利要求9所述的梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：还包括折射率测量步骤：在每个GRIN层制作完成后还要对该GRIN层的折射率进行测量。

11.根据权利要求8-10之任一所述的梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：每个GRIN层的材料为氮氧化硅Silicon Oxynitride、碳氧化硅Silicon Oxycarbide、聚合物Polymers、掺杂的二氧化硅Doped glasses、旋涂的二氧化硅Spin on Glasses和铟镓砷磷合金Indium Gallium ArsenidePhosphide alloys中一种或多种的组合；

制备每层GRIN层的沉积方式和包层的沉积方式：包括等离子增强化学气相沉积法(PEVCD)、高密度等离子体化学气相淀积法(HDPCVD)、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、溅射沉积法或旋涂法。

12.根据权利要求11所述的梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：所述光刻通过步进式光刻机、接触式光刻机或、电子束直写来完成；所述刻蚀通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子体。

13.根据权利要求12所述的梯度折射率波导元件的制备方法，其特征在于：所述磨平通过化学机械抛光(CMP)或腐蚀来实现。