CN105700072B - 光波导及其制作方法、降低iii-v半导体波导侧壁散射损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光波导及其制作方法、降低III‑V半导体波导侧壁散射损耗的方法，该光波导包括芯层，所述芯层的表面包覆有限制层，所述限制层包括氧化铝包层，该氧化铝包层与所述芯层之间形成有光滑的侧壁。本发明采用含Al的III‑V半导体作为光波导芯层材料，并通过Al氧化定义其光波导，一方面由Al氧化定义的光波导使得含Al半导体被Al₂O₃介质包围，二者的折射率差较小，由此使得散射损耗对波导侧壁粗糙度敏感性降低；另一方面，Al氧化工艺为湿法氧化技术，该种化学反应是在分子水平产生作用的，因此，由其定义的波导结构，其侧壁粗糙度无疑远小于干法刻蚀。

Description

光波导及其制作方法、降低III-V半导体波导侧壁散射损耗的 方法

技术领域

本申请涉及一种光波导及其制作方法、降低III-V半导体波导侧壁散射损耗的方法。

背景技术

由侧壁粗糙引发的散射损耗是所有无源光波导难以克服的难题，特别是对于大尺寸光波导而言，有可能成为其性能提升的最终限制因素。而对于由III-V族材料定义的脊波导而言，由于III-V族材料的折射率大于3，而空气的折射率为1，大的折射率差使得其散射损耗对侧壁粗糙度非常敏感，因此，为了降低波导散射损耗，通常采用的做法是获得侧壁光滑的光波导结构，为了实现这一点，必须从光刻板制备、光刻工艺、刻蚀工艺等一系列步骤严格把关，才能获得高质量光波导。该种方法使得光波导的侧壁粗糙度极大地依赖于各步工艺，从而使得其侧壁光滑度受限，且获得真正侧壁光滑的光波导成本增加，成品率下降。

大尺度高品质因子III-V族半导体环形谐振腔是实现单片集成光学陀螺的基础和关键，对于该大尺寸III-V族环形谐振腔而言，由于III-V半导体折射率偏高，大折射率差和侧壁粗糙导致的大散射损耗成为制约其品质因子提高的最终因素，直接制约单片集成光学陀螺的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光波导及其制作方法、降低III-V半导体波导侧壁散射损耗的方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种光波导，包括芯层，所述芯层的表面包覆有限制层，所述限制层包括氧化铝包层，该氧化铝包层与所述芯层之间形成有光滑的侧壁。

优选的，在上述的光波导中，所述氧化铝包层的折射率为1.4~2.3，更优选的，氧化铝包层的折射率为1.4~2.0。

优选的，在上述的光波导中，所述芯层为含Al的III-V半导体，通过对所述III-V半导体进行氧化形成所述氧化铝包层。

优选的，在上述的光波导中，所述III-V半导体包括所有含Al的III-V半导体，具体地包括 AlAs、 AlP、AlN、InAlAs、InAlP、AlGaAs、AlGaP、InAlN、GaAlN、InGaAlP、InGaAlAs、InGaAlN等。

优选的，在上述的光波导中，所述芯层的上下两侧分别形成有上包层和下包层，所述氧化铝包层形成于所述芯层的左右两侧。

优选的，在上述的光波导中，所述上包层和下包层的材质于芯层晶格常数相近的III-V半导体材料。

优选的，在上述的光波导中，所述光滑的侧壁为斜面。

相应地，本申请还公开了一种光波导的制作方法，包括：

s1、在下包层上依次形成芯层和上包层；

s2、在上包层表面匀胶光刻，获得图形掩膜；

s3、通过图形掩膜进行蚀刻，直至露出芯层的上表面或其侧壁；

s4、对芯层露出的部分进行Al氧化，芯层被氧化的部分与未氧化部分之间形成光滑的侧壁。

优选的，在上述的光波导的制作方法中，所述Al氧化为湿法氧化，其化学反应在分子水平产生作用。

本申请还公开了一种降低III-V半导体波导侧壁散射损耗的方法，对含Al的III-V半导体进行铝氧化，形成光滑的氧化铝侧壁。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用含Al的III-V半导体作为光波导芯层材料，并通过Al氧化定义其光波导，一方面由Al氧化定义的光波导使得含Al半导体被Al₂O₃介质包围，二者的折射率差较小，由此使得散射损耗对波导侧壁粗糙度敏感性降低；另一方面，Al氧化工艺为湿法氧化技术，该种化学反应是在分子水平产生作用的，因此，由其定义的波导结构，其侧壁粗糙度无疑远小于干法刻蚀。二者共同作用降低波导侧壁散射损耗，克服大尺寸无源波导损耗限制，有助于获得高Q无源环形谐振腔，实现高灵敏度单片集成光学陀螺。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a-图1e所示为本发明第1实施例中光波导的制作流程示意图；

图2a-图2b所示为本发明第2实施例中光波导的制作流程示意图；

图3所示为本发明第3实施例中光波导的结构示意图；

图4所示为本发明第4实施例中光波导的结构示意图。

具体实施方式

本发明以含Al无吸收半导体材料为波导材料，通过Al氧化定义波导宽度，从而通过(1)分子水平反应实现侧壁光滑、(2)Al₂O₃包覆导致的小折射率差来降低波导散射损耗对侧壁粗糙度的依赖性，由此实现低侧壁散射损耗的无源波导。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

低散射损耗波导制备流程如下:

1）、参图1a所示，在InP基底材料上采用MOCVD(或者MBE、HVPE等III-V半导体材料生长手段)依次生长下包层1、芯层2、和上包层3，其中下包层1的材质为InP，芯层2为含Al的III-V半导体，其材质优选为InAlGaAs，上包层的材质为InP(或InGaAsP)。

2）、参图1b所示，利用匀胶机在上包层表面形成光刻胶4。

3）、参图1c所示，光刻获得图形掩膜5。

4）、参图1d所示，通过图形掩膜5进行蚀刻，直至露出芯层2上表面。

5）、参图1e所示，对芯层露出的部分进行Al氧化，芯层被氧化的部分与未氧化部分之间形成光滑的侧壁6。

实施例2

实施例1的步骤4）中，还可以通过图形掩膜进行蚀刻直至露出下包层的上表面，参图2a所示，然后对芯层露出的两端进行铝氧化，获得具有光滑侧壁的光波导，参图2b所示。

实施例3

参图3所示，光波导还可以为双沟型，上包层光刻形成有两个沟槽7，该两个沟槽延伸至芯层的上表面，通过对位于沟槽7底部的芯层进行铝氧化，可以在氧化的芯层与未氧化的芯层之间形成光滑的侧壁。其制作方法与实施例1相同，不再赘述。

实施例4

参图4所示，图3中的沟槽还可以延伸至下包层的表面，通过对露出的芯层的端部进行铝氧化，以获得具有光滑侧壁的双沟型光波导。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种光波导，其特征在于，包括芯层，所述芯层的表面包覆有限制层，所述限制层包括氧化铝包层，该氧化铝包层与所述芯层之间形成有光滑的侧壁，所述芯层为含Al的III-V半导体，通过对所述III-V半导体进行氧化形成所述氧化铝包层。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述氧化铝包层的折射率为1.4～2.0。

3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述III-V半导体选自AlAs、AlP、AlN、InAlAs、InAlP、AlGaAs、AlGaP、InAlN、GaAlN、InGaAlP、InGaAlAs、或InGaAlN。

4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述芯层的上下两侧分别形成有上包层和下包层，所述氧化铝包层形成于所述芯层的左右两侧。

5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于：所述上包层和下包层的材质均选自与芯层材料晶格相近的III-V半导体，且其对应折射率小于芯层材料的折射率。

6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述光滑的侧壁为斜面。

7.权利要求1至6任一所述的光波导的制作方法，其特征在于，包括：

s1、在下包层上依次形成芯层和上包层；

s2、在上包层表面匀胶光刻，获得图形掩膜；

s3、通过图形掩膜进行蚀刻，直至露出芯层的上表面或其侧壁；

s4、对芯层露出的部分进行Al氧化，芯层被氧化的部分与未氧化部分之间形成光滑的侧壁。

8.根据权利要求7所述的光波导的制作方法，其特征在于：所述Al氧化为湿法氧化，其化学反应在分子水平产生作用。

9.一种降低III-V半导体波导侧壁散射损耗的方法，其特征在于：对含Al的III-V半导体进行铝氧化，以使所述III-V半导体被氧化与未氧化部分之间形成光滑的氧化铝侧壁。