CN107247314B - 与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法 - Google Patents

与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法，步骤如下：S1，确定微透镜的尺寸；S2，制作微透镜掩膜版；S3，制作PLC型光分路器或阵列波导光栅；S4，ICP深刻蚀做出一个凹槽；S5，生长掺锗的SiO2透镜层；S6，微透镜；S7，刻蚀的透镜进行镀膜。本发明将光波导和微透镜的制作融合在一起，直接在制作的光波导的合适位置制作出微透镜，不需要再进行贴装，即使多通道，也不会增加制作成本或者延长生产周期。采用一体刻蚀避免了由于贴装误差造成系统总的耦合效率降低的发生，提高了系统总的耦合效率和产品的成品率。

Description

与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法。
背景技术
在集成光学中，激光器都具有较大的发散角，如果直接与光波导进行耦合，通常的耦合效率都比较低。为了实现激光器与光波导的高效率耦合，通常都会在激光器与光波导之间贴装透镜，但是由于集成光学系统的工艺容差都较小，所以所贴装的透镜位置是否精确，直接关系到整个系统的性能。如果光波导的通道较多，像32通道、64通道或者更多通道的，使用常规的贴装透镜的方法，不但会增加工艺复杂性，延长生产周期，并且由于贴装误差产生的系统总的耦合效率也随之降低，会大大降低产品的成品率。
发明内容
本发明要解决的是半导体光源与光波导耦合时贴装透镜工艺容差小，耦合效率不高等技术问题，从而提供一种与半导体工艺兼容、易于平面光波导集成、尺寸小、可根据光波导具体定制的与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：S1，确定微透镜的透镜高度H、透镜前表面曲率半径R1、透镜后表面曲率半径R2和透镜中心厚度T；
S2，根据步骤S1制作微透镜掩膜版；
S3，制作PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片；
S4，在制作的PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片需要制作微透镜的地方，利用ICP深刻蚀做出一个凹槽，凹槽深度为20-30μm，凹槽宽度比透镜中心厚度T宽5-10μm；
S5，使用PECVD方法在PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片的表面生长掺锗的SiO2透镜层；
S6，利用步骤S2中的透镜掩膜版，并使用感应耦合等离子体ICP对步骤S5的掺锗的SiO2透镜层进行刻蚀，形成微透镜；
S7，采用PECVD对刻蚀的透镜进行镀膜，镀膜材料为氟化镁。
在步骤S3中，PLC型光分路器或阵列波导光栅的制作步骤如下；
S3.1，对基底表面进行清洗；
S3.2，在基底表面通过热氧化生成二氧化硅下包层，二氧化硅下包层的厚度为10-15μm；
S3.3，在二氧化硅下包层上，使用等离子体增强化学气相沉积方法生长掺锗的二氧化硅波导芯层；且掺锗的二氧化硅波导芯层的厚度为4-8μm，宽度为4-8μm；
S3.4，使用低压力化学气相沉积法生长多晶硅硬掩膜层，多晶硅硬掩膜层覆盖二氧化硅下包层和掺锗的二氧化硅波导芯层；且多晶硅硬掩膜层厚度为1μm；
S3.5，在多晶硅硬掩膜层上涂光刻胶，并将光刻板上的图形转移到光刻胶上；
S3.6，刻蚀步骤S3.5中的多晶硅硬掩膜层，去除无用的光刻胶；与掩膜版上波导形状对应的光刻胶留下，其他部分的光刻胶被刻蚀掉。
S3.7，使用感应耦合等离子体刻蚀方法进行芯区刻蚀，得到所需的波导芯层，刻蚀深度比芯区厚度大0.3-0.4μm；芯区刻蚀，留下需要的波导芯层，其他地方被刻蚀掉。
S3.8，去除剩余的多晶硅硬掩膜层；所需要的波导芯区已经形成，所以剩余保护波导芯层的硬掩膜层要去掉。
S3.9，利用低应力掺杂硼磷硅玻璃方法生长上包层，上包层厚度为10-25μm；
S3.10，上包层退火，退火温度900-1100℃，退火时间为3-5小时；退火后完成PLC型光分路器或阵列波导光栅的制作。
在步骤S3.1中，所述基底为单晶硅片或石英片。
在步骤S2中，所述透镜掩膜版是根据透镜的垂直投影图形制作。
本发明将光波导和微透镜的制作融合在一起，直接在制作的光波导的合适位置制作出微透镜，不需要再进行贴装，即使多通道，也不会增加制作成本或者延长生产周期。采用一体刻蚀避免了由于贴装误差造成系统总的耦合效率降低的发生，提高了系统总的耦合效率和产品的成品率。
附图说明
图1为平凸透镜的光线追迹图。
图2为无透镜时的光线追迹图。
图3为双凸透镜的光线追迹图。
图4为平凸透镜与无透镜时耦合效率对比图。
图5为双凸透镜与无透镜时耦合效率对比图。
图6为激光器、双凸透镜和4通道光波导的耦合示意图。
具体实施方式
实施例1：一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：S1，确定微透镜的透镜高度H、透镜前表面曲率半径R1、透镜后表面曲率半径R2和透镜中心厚度T。透镜的截面可以是前凸后平结构（R1>0，R2=0）、双凸结构（R1>0，R2>0）和前平后凸结构（R1=0，R2>0）三种。而且，透镜在高度方向上透镜截面不变。
S2，根据步骤S1制作微透镜掩膜版。所述透镜掩膜版是根据透镜的垂直投影图形制作。
S3，制作PLC型光分路器或阵列波导光栅AWG。
具体制作步骤如下：
S3.1，对基底表面进行清洗；所述基底为单晶硅片或石英片。
S3.2，在基底表面通过热氧化生成二氧化硅下包层，二氧化硅下包层的厚度为10-15μm。
S3.3，在二氧化硅下包层上，使用等离子体增强化学气相沉积方法（PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，即PECVD）生长掺锗的二氧化硅波导芯层；且掺锗的二氧化硅波导芯层的厚度为4-8μm，宽度为4-8μm。
S3.4，使用低压力化学气相沉积法LPCVD生长多晶硅硬掩膜层，多晶硅硬掩膜层覆盖二氧化硅下包层和掺锗的二氧化硅波导芯层；且多晶硅硬掩膜层厚度为1μm。
S3.5，在多晶硅硬掩膜层上涂光刻胶，并将光刻板上的图形转移到光刻胶上。
S3.6，刻蚀步骤S3.5中的多晶硅硬掩膜层，去除无用的光刻胶；与掩膜版上波导形状对应的光刻胶留下，其他部分的光刻胶被刻蚀掉。
S3.7，使用感应耦合等离子体刻蚀方法进行芯区刻蚀，得到所需的波导芯层，刻蚀深度比芯区厚度大0.3-0.4μm；芯区刻蚀，留下需要的波导芯层，其他地方被刻蚀掉。
S3.8，去除剩余的多晶硅硬掩膜层；所需要的波导芯区已经形成，所以剩余保护波导芯层的硬掩膜层要去掉。
S3.9，利用低应力掺杂硼磷硅玻璃方法BPSG生长上包层，上包层厚度为10-25μm。
S3.10，上包层退火，退火温度900-1100℃，退火时间为3-5小时；退火后完成PLC型光分路器或阵列波导光栅的制作。
S4，在制作的PLC型光分路器或阵列波导光栅需要制作微透镜的地方，利用ICP深刻蚀做出一个凹槽，凹槽深度为20-30μm，凹槽宽度比透镜中心厚度T宽5-10μm。
S5，使用PECVD方法在PLC型光分路器或阵列波导光栅或可调光衰减器芯片的表面生长掺锗的SiO2透镜层；掺锗的SiO2透镜层的折射率可以通过调节GeH4的气体含量调节。
S6，利用步骤S2中的透镜掩膜版，并使用感应耦合等离子体ICP对步骤S5的掺锗的SiO2透镜层进行刻蚀，形成微透镜。
S7，采用PECVD对刻蚀的透镜进行镀膜，镀膜材料为氟化镁。
这是对于PLC型光分路器或阵列波导光栅AWG而言微透镜的制作方法。
为了进一步说明本发明一体加工的优势，下面给出对比实施例进行说明。
实施例2：平凸透镜对半导体光源光波导间耦合效率的影响，通过对比有无透镜时光源耦合进波导的耦合效率进行说明。
为进一步理解，采用Zemax软件模拟平凸透镜对光线的改变，模拟时半导体光源1的X方向发散角采用15度，Y方向发散角分别设置为5度，经过平凸透镜2后光线进入光波导3。光波导3后面设置一个探测器4，探测器4与光波导3距离为2μm，探测器4边长与光波导芯层的边长一样，这样可以通过探测器的数据得到系统的耦合效率。模拟时设置波长为1550nm。
平凸透镜2前表面的曲率半径为9μm，透镜折射率为1.4742，透镜中心厚度为10μm，平凸透镜2的后表面与光波导前表面平齐。
光波导3包层的截面尺寸为20μm*20μm，包层折射率为1.4447，按通常的0.75%折射率差进行模拟，光波导的芯层的截面尺寸为7μm*7μm，模拟设置折射率为1.4556。光波导长度设置为200μm。
平凸透镜2的光线追迹图如图1所示；而模拟相同条件下没有透镜的情况，光线追迹图如图2所示，光波导3离光源1的距离从12μm变化到60μm，耦合效率变化对比如图4所示。从图4可以明显看出加入平凸透镜提高了系统的耦合效率，并且使轴向的容差大大提高。
实施例3：双凸透镜对半导体光源光波导间耦合效率的影响，通过对比有无透镜时光源耦合进波导的耦合效率观察。
双凸透镜的前后面曲率半径设为10μm，其他模拟参数与实施例3完全一致。双凸透镜的光线追迹图如图3所示，由于透镜尺寸有限，模拟时光波导3离光源1的距离从12μm变化到35μm，与无透镜时的耦合效率对比如图5所示。
从图5可以看出，在1550nm波长下，双凸透镜相比无透镜系统耦合效率提高了10%以上。
如果光波导3是4通道或者更多通道的，使用本发明做出来的透镜与波导整体的结构示意图如图6所示。1为光源，在本实施例中为贴装的激光器芯片，2为通过光刻刻蚀出来的透镜，3为光波导芯层，3-1为光波导包层，5为衬底，衬底可以是硅或者玻璃。

Claims (4)

1.一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于，步骤如下：S1，确定微透镜的透镜高度H、透镜前表面曲率半径R1、透镜后表面曲率半径R2和透镜中心厚度T；
S2，根据步骤S1制作微透镜掩膜版；
S3，制作PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片；
S4，在制作的PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片需要制作微透镜的地方，利用ICP深刻蚀做出一个凹槽，凹槽深度为20-30μm，凹槽宽度比透镜中心厚度T宽5-10μm；
S5，使用PECVD方法在PLC型光分路器或阵列波导光栅芯片的表面生长掺锗的SiO2透镜层；
S6，利用步骤S2中的透镜掩膜版，并使用感应耦合等离子体ICP对步骤S5的掺锗的SiO2透镜层进行刻蚀，形成微透镜；
S7，采用PECVD对刻蚀的透镜进行镀膜，镀膜材料为氟化镁。
2.根据权利要求1所述的与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于：在步骤S3中，PLC型光分路器或阵列波导光栅的制作步骤如下；
S3.1，对基底表面进行清洗；
S3.2，在基底表面通过热氧化生成二氧化硅下包层，二氧化硅下包层的厚度为10-15μm；
S3.3，在二氧化硅下包层上，使用等离子体增强化学气相沉积方法生长掺锗的二氧化硅波导芯层；且掺锗的二氧化硅波导芯层的厚度为4-8μm，宽度为4-8μm；
S3.4，使用低压力化学气相沉积法生长多晶硅硬掩膜层，多晶硅硬掩膜层覆盖二氧化硅下包层和掺锗的二氧化硅波导芯层；且多晶硅硬掩膜层厚度为1μm；
S3.5，在多晶硅硬掩膜层上涂光刻胶，并将光刻板上的图形转移到光刻胶上；
S3.6，刻蚀步骤S3.5中的多晶硅硬掩膜层，去除无用的光刻胶；
S3.7，使用感应耦合等离子体刻蚀方法进行芯区刻蚀，得到所需的波导芯层，刻蚀深度比芯区厚度大0.3-0.4μm；
S3.8，去除剩余的多晶硅硬掩膜层；
S3.9，利用低应力掺杂硼磷硅玻璃方法生长上包层，上包层厚度为10-25μm；
S3.10，上包层退火，退火温度900-1100℃，退火时间为3-5小时；退火后完成PLC型光分路器或阵列波导光栅的制作。
3.根据权利要求2所述的与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于：在步骤S3.1中，所述基底为单晶硅片或石英片。
4.根据权利要求1所述的与光波导集成的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，所述透镜掩膜版是根据透镜的垂直投影图形制作。
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