CN107817554A - 一种具有会聚与选偏功能的硅基v型槽制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涉及数据通信、有源光缆，具体涉及一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法。一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，包括带有45°微反射镜的硅基V型槽的制作步骤，还包括在制备好的硅基V型槽的45°反射镜面上进行ICP刻蚀制备光栅的过程。该方法通过硅刻蚀及镀膜方式，实现带有45°的微反射镜的硅基V型槽波导，以实现VCSEL的光路偏转；并在硅基V型槽的45°反射镜面上制备亚波长光栅，用以实现光的偏振及会聚，使用本方法制作的硅基V型槽提升耦合效率并实现高偏振态的光以便其在光纤中传输时色散更小传播的更远。
Description
技术领域
本发明属于涉及数据通信、有源光缆，具体涉及一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法。
背景技术
光收发模块是光通讯的核心器件，完成对光信号的光-电/电-光转换。由两部分组成：接收部分和发射部分。接收部分实现光-电变换，发射部分实现电-光变换。在光模块的应用中有一项非常重要的指标就是光模块的传输距离，光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km及以下的为短距离，10～20km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。
光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。所以在制作光模块的过程中降低光在光纤中的色散，提高激光器与光纤的耦合效率至关重要。
在长距离传输诸如1.3um的VCSEL与单模光纤耦合时，由于单模光纤芯径仅为9um，而VCSEL的氧化限制孔径在9um附近，加之发散角传播后，与光纤耦合时光斑直径远大于光纤芯径，造成耦合时光功率的浪费，因此在耦合时收缩光斑对提升耦合效率至为重要；此外，光在光纤中传播时高偏振态的激光色散更低，能够传输更远的距离。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，该方法通过硅刻蚀及镀膜方式，实现带有45°的微反射镜的硅基V型槽波导，以实现VCSEL的光路偏转；并在硅基V型槽的45°反射镜面上制备亚波长光栅，用以实现光的偏振及会聚，使用本方法制作的硅基V型槽提升耦合效率并实现高偏振态的光以便其在光纤中传输时色散更小传播的更远。
本发明的技术方案是：
一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，包括带有45°微反射镜的硅基V型槽的制作步骤，还包括在制备好的硅基V型槽的45°反射镜面上进行ICP刻蚀制备光栅的过程，该过程包括如下步骤：
一、将制备好的带有45°微反射镜的硅基V型槽依次进行去离子水冲洗、氮气吹干、移入热氧化炉进行湿氧氧化，待氧化完成后进行快速热退火；
二、对经过上述步骤处理过的硅基V型槽进行光刻、显影；
三、对上步骤处理过的硅基V型槽进行氮气吹干，然后使用稀释的HF对SiO2进行腐蚀，用以充当第四步中硅的掩膜；
四、使用ICP完成干刻蚀，使用等离子蚀刻机，对硅进行刻蚀，去除残留的SiO2。
具体的，带有45°微反射镜的硅基V型槽的制作步骤包括如下过程：首先选取硅片，对选取的硅片进行丙酮、乙醇-超声波清洁，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将处理的硅片移入热氧化炉中进行湿氧氧化，氧化完成后移入热退火炉中热退火；再者是进行光刻、显影处理；第四是使用氮气吹干，后浸入HF水溶液中，制备SiO2掩膜；最后将经过以上处理过的硅片浸入KOH水溶液，进行湿法硅刻蚀，制备带有45°微反射镜的硅基V型槽。
具体的，所述步骤一中使用的热氧化炉的温度为1200℃，富水蒸气条件下，时间为20min，快速热退火在氮气条件下进行，快速升温至1200℃，退火时间至少80s。
具体的，所述的步骤二中使用的光刻胶为ZEP520，使用的甩胶机转速3000，通过甩胶机处理时间为30s；前烘105℃、10min，使用紫外曝光机曝光，曝光时间4s，显影时间28s，显影完成后，后烘120℃，坚膜20min。
具体的，步骤三中使用的稀释的HF水溶液的配比为HF：(NH4)F：H2O＝3:6:10。
具体的，所述的步骤四中对硅进行刻蚀的过程中光栅周期为620nm、占空比0.5，光栅刻槽深度为180nm；硅刻蚀反应气体选择为SF6，流量为50mL/min；等离子体刻蚀的腔室压强7mTorr，等离子体刻蚀机的源功率为1000W，射频源的射频功率为300W；硅刻蚀反应气体SF6时间为7.4s；刻蚀后为对刻蚀形成的开口壁进行保护，预沉积和沉积反应气体C4F8时间共3s。
具体的，所述的KOH水溶液的比例为KOH：IPA：H2O＝2:1:10。
本发明的有益效果是：解决垂直腔激光器阵列与单模光纤阵列耦合问题，特别是长距离通信用，1550/1310nm VCSELs与光纤阵列的耦合。采用了热氧化、快速热退火、湿法刻蚀、PECVD镀膜等技术，在硅基V型槽的反射镜上刻蚀硅基亚波长光栅，对近圆偏振光的激光束而言，亚波长光栅对TM偏振光有很强的反射而对TE偏振光有很强的透射，在经过刻蚀有硅亚波长光栅的微反射镜时可以获取比较高的偏振光，使用光的偏振态特性，同时可以减少光在光纤中由于色散引起的损耗；在波长为1.3um时，Si的折射率为3.47，SiO2折射率为1.44，由此种高折射率差的材料制备的亚波长光栅可以实现光束的会聚，有效提高了耦合效率。
附图说明
图1是制备的带有微反射镜的硅基V型槽结构示意图；
图2是圆偏光经硅光栅后偏振选择原理图。
具体实施方式
如图1所示为使用本发明提供的方法制备的硅基V型槽的结构示意图。制作硅基V型槽的具体步骤如下：首先选取硅片，对选取的硅片进行丙酮、乙醇-超声波清洁，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将处理的硅片移入热氧化炉中进行湿氧氧化，氧化完成后移入热退火炉中热退火；再者是进行光刻、显影处理；第四是使用氮气吹干，后浸入HF水溶液中，制备SiO2掩膜；最后将经过以上处理过的硅片浸入KOH水溶液，进行湿法硅刻蚀，制备带有45°微反射镜的硅基V型槽。所使用的KOH水溶液的比例为KOH：IPA：H2O＝2:1:10。
本发明提供制作具有会聚与选偏功能的硅基V型槽的方法，包括在制备好的硅基V型槽的45°反射镜面上进行ICP刻蚀制备光栅的过程，该过程包括如下步骤：
一、将制备好的带有45°微反射镜的硅基V型槽依次进行去离子水冲洗、氮气吹干、移入热氧化炉进行湿氧氧化，待氧化完成后进行快速热退火；使用的热氧化炉的温度为1200℃，富水蒸气条件下，时间为20min，快速热退火在氮气条件下进行，快速升温至1200℃，退火时间至少80s；
二、对经过上述步骤处理过的硅基V型槽进行光刻、显影；使用的光刻胶为ZEP520，使用的甩胶机转速3000，通过甩胶机处理时间为30s；前烘105℃、10min，使用紫外曝光机曝光，曝光时间4s，显影时间28s，显影完成后，后烘120℃，坚膜20min；
三、对上步骤处理过的硅基V型槽进行氮气吹干，然后使用稀释的HF对SiO2进行腐蚀，用以充当第四步Si的掩膜；使用的稀释的HF水溶液的配比为HF：(NH4)F：H2O＝3:6:10；
四、使用ICP完成干刻蚀，使用等离子蚀刻机，对硅进行刻蚀，去除残留的SiO2；硅进行刻蚀的过程中光栅周期为620nm、占空比0.5、光栅刻槽深度为180nm；硅刻蚀反应气体选择为SF6，流量为50mL/min；等离子体刻蚀的腔室压强7mTorr，等离子体刻蚀机的源功率为1000W，射频源的射频功率为300W；硅刻蚀反应气体SF6时间为7.4s；刻蚀后为对刻蚀形成的开口壁进行保护，预沉积和沉积反应气体C4F8时间共3s。
如图2所示为圆偏光经硅光栅后偏振选择原理图。激光器发出的光有TE模式与TM模式两种且垂直，当其经过硅光栅时，与光栅平行的将通过，而垂直的将衰减，从而形成选择比较高的偏振光，最终耦合进入光纤中。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，包括带有45°微反射镜的硅基V型槽的制作步骤，其特征在于，还包括在制备好的硅基V型槽的45°反射镜面上进行ICP刻蚀制备光栅的过程，该过程包括如下步骤：
一、将制备好的带有45°微反射镜的硅基V型槽依次进行去离子水冲洗、氮气吹干、移入热氧化炉进行湿氧氧化，待氧化完成后进行快速热退火；
二、对经过上述步骤处理过的硅基V型槽进行光刻、显影；
三、对上步骤处理过的硅基V型槽进行氮气吹干，然后使用稀释的HF对SiO2进行腐蚀，用以充当第四步硅的掩膜；
四、使用ICP完成干刻蚀，使用等离子蚀刻机，对硅进行刻蚀，去除残留的SiO2。
2.根据权利要求1所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，带有45°微反射镜的硅基V型槽的制作步骤包括如下过程：首先选取硅片，对选取的硅片进行丙酮、乙醇-超声波清洁，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将处理的硅片移入热氧化炉中进行湿氧氧化，氧化完成后移入热退火炉中热退火；再者是进行光刻、显影处理；第四是使用氮气吹干，后浸入HF水溶液中，制备SiO2掩膜；最后将经过以上处理过的硅片浸入KOH水溶液，进行湿法硅刻蚀，制备带有45°微反射镜的硅基V型槽。
3.根据权利要求1所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，所述步骤一中使用的热氧化炉的温度为1200℃，富水蒸气条件下，时间为20min，快速热退火在氮气条件下进行，快速升温至1200℃，退火时间至少80s。
4.根据权利要求1所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，所述的步骤二中使用的光刻胶为ZEP520，使用的甩胶机转速3000，通过甩胶机处理时间为30s；前烘105℃、10min，使用紫外曝光机曝光，曝光时间4s，显影时间28s，显影完成后，后烘120℃，坚膜20min。
5.根据权利要求1所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，步骤三中使用的稀释的HF水溶液的配比为HF：(NH4)F：H2O＝3:6:10。
6.根据权利要求1所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，所述的步骤四中对硅进行刻蚀的过程中光栅周期为620nm、占空比0.5，光栅刻槽深度为180nm；硅刻蚀反应气体选择为SF6，流量为50mL/min；等离子体刻蚀的腔室压强7mTorr，等离子体刻蚀机的源功率为1000W，射频源的射频功率为300W；硅刻蚀反应气体SF6时间为7.4s；刻蚀后为对刻蚀形成的开口壁进行保护，预沉积和沉积反应气体C4F8时间共3s。
7.根据权利要求2所述具有会聚与选偏功能的硅基V型槽制备方法，其特征在于，所述的KOH水溶液的比例为KOH：IPA：H2O＝2:1:10。
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|---|---|---|---|---|
| CN109507775A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-03-22 | 濮阳光电产业技术研究院 | 有源光缆用带闪耀光栅的硅基光纤固定槽及其制作方法 |
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