CN108427159A - 一种深紫外平面光波导 - Google Patents

Abstract

本发明属于光信号处理器件技术领域，涉及一种深紫外平面光波导，主体结构包括基底层、凸台、芯层、保护层和上包层，材质为二氧化硅的基底层能够减少热应力，掺杂硼和磷的芯层和上包层对深紫外波段光的吸收量少，同时能够提高光波导的折射率，材质为二氧化硅的保护层能够防止芯层与上包层的互溶，基底层、芯层、保护层和上包层构成横截面为矩形结构的掺杂硼和磷的石英异质波导可以应用在深紫外波段，对生物与化学传感、医疗卫生、食品安全、海洋探测等领域的发展有重要意义；其光波导的结构和制作方法工艺简单，既能提高折射率，又能降低深紫外光的传输损耗，能够作为各种光器件的制造原材料。

Description

一种深紫外平面光波导

技术领域：

本发明属于光信号处理器件技术领域，涉及一种深紫外平面光波导，采用掺杂硼和磷的石英石异质波导结构，在深紫外波段实现较小的光传输损耗，以广泛应用于的生物与化学传感、医疗卫生、食品安全和海洋探测等领域。

背景技术：

光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导，光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤(光学纤维)。光波导由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构，光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播；多模和单模光纤已成功地应用于通信，光纤的传输特性对外界的温度和压力等因素敏感，因而可制成光纤传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。平面介质光波导是最简单的光波导，是用折射率为n2的硅(或砷化镓，或玻璃)作基片，用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜，再加上折射率为n3的覆盖层制成，通常取n1>n2>n3，以便将光波局限在介质膜内传播。条形介质光波导是在折射率为n2的基体中产生一个折射率为n1的长条，取n1>n2，以便将光波局限在长条内传播，这种光波导常用作光的分路器、耦合器、开关等功能器件。光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律来处理光在其中的传播问题，如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生全反射，结果光便沿折线路径在其中传播，梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使光线沿曲线路径在其中传播。光波导的横向尺寸与光的波长相差不大时，光的波动性所产生的衍射现象便不能略去，需用光的电磁理论来处理光在其中的传播问题，即由麦克斯韦方程组出发，列出边界条件，求解光波的电场和磁场在光波导内的分布和传播特性，从而解决有关问题，计算表明，对于一种给定形状和折射率的光波导，能在其中传播的光波，其电场和磁场的分布有各种不同形式，把每一种形式叫作一种传输模，简称为模；每种模都存在一个截止频率，如果光波的频率低于这个截止频率，这种模的光就不能在该光波导中传播。光纤的直径越大能传输的模数就越多，能传输多种模的光纤叫作多模光纤；只能传输一种模的光纤叫作单模光纤；多模光纤常用于近距离传输，如内窥镜等；单模光纤则用于远距离通信。

中国专利201110439035.1公开的一种平面光波导结构包括锥形段波导和恒径段波导，所述锥形段波导与波导器件相连，其波导芯横截面为锥形，宽度沿光纤到波导器方向逐渐减小，由N个波导芯组成，且沿着光纤到光波导方向，波导芯长度逐渐增加，各波导芯间的间隙长度逐渐减小，波导芯四周充满包层材料；所述恒径段波导与光纤相连，由M个具有相同长度的波导芯组成，各个波导芯间的间隙长度相同，波导芯四周均充满包层材料；中国专利201410369687.6公开的一种平面光波导的制作方法包括：在衬底表面形成芯层；在所述芯层表面形成金属层；在所述金属层表面形成光刻胶层，并图案化所述光刻胶层；将所述衬底水平放置在刻蚀槽内，以图案化后的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀，其中，所述衬底设置有所述金属层的表面朝上放置，所述金属层浸没在所述刻蚀槽内的金属刻蚀试剂内；判断对所述金属层的刻蚀是否完成，当所述刻蚀完成后，去除图案化后的光刻胶层，以刻蚀后的金属层为掩膜对所述芯层进行刻蚀，图案化所述芯层，形成预设结构的波导芯层；通过观察衬底表面金属层的形貌特征判断刻蚀过程的进度，在所述波导芯层表面形成保护层；中国专利201510073921.5公开的一种平面光波导包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上；所述隔离层的熔点低于所述波导芯层的熔点，且填充所述波导芯层的各个间隙；所述上包层的熔点低于所述波导芯层的熔点；所述波导芯层的材料为掺杂锗的二氧化硅，所述下包层的材料为二氧化硅；所述隔离层的材料为掺杂有氟和锗的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-2％，所述锗的掺杂质量为所述二氧化硅质量的3-6％，且所述氟和锗的掺杂质量比大于1:3；所述上包层的材料为掺杂有氟和锗的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-3％，所述锗的掺杂质量为所述二氧化硅质量的3-6％，且所述氟和锗的掺杂质量比为1:3；中国专利201280067966.6公开的一种平面光波导包括：一个平面光衬底，具有一个边缘表面并且包括一个光波导，该光波导具有一个位于该边缘表面上的光孔；以及一个管，被形成为具有一个尺寸被限定为用于接收一个光纤套管的管腔和一个被固定到该平面光衬底的该边缘表面上的边缘表面，从而使得该管腔在该管的该边缘表面处的一个截面与该光孔对准：中国专利201410842767.9公开的一种端面透镜化的平面光波导包括：一平面光波导阵列，包含有多个平行设置的平面光波导，且该多个平面光波导具有透镜化了的球状镜端面，该球状镜端面具有准直或聚焦功能；以及一耦合器，用于支撑和固定该平面光波导阵列；中国专利201520474486.2公开的一种热不敏感型平面光波导包括：基底层和芯层，所述芯层形成于所述基底层上，还包括包覆于所述芯层四周的上包层；上包层材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，基底层材料和芯层材料均是无机光学材料；中国专利201510754780.3公开的一种表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导包括:主导层和调谐层，主导层由玻璃基底和镀制于其上的周期性多层膜构成，调谐层由一层有效排列的液晶层和其衬底层构成；主导层和调谐层上下叠合构成复合平面波导；中国专利201510385994.8公开的一种热不敏感型平面光波导包括基底层和芯层，芯层形成于基底层上，还包括包覆于所述芯层四周的上包层，上包层材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，基底层材料和芯层材料均是无机光学材料；中国专利201710327538.7公开的一种平面光波导包括：相对设置的两个表面，第一表面和第二表面，第一表面和第二表面之间存在一定的夹角；第一表面用于出射经过光波导的光线，第一表面是全内反射TIR表面，满足全反射条件的光线通过第一表面在光波导内反射；第二表面包括多个线性棱镜，每个线性棱镜特征包括第一琢面和第二琢面，其中所述第一琢面与第一表面为平行设置，是全内反射TIR表面，光线通过第一琢面在光波导内反射传播；第二琢面与第一表面之间存在一定夹角，光线在第二琢面反射后改变光线的传播方向，通过第一表面出射；以上专利产品能够广泛应用在红外波段，但是不能应用在深紫外波段，光的传输损耗是表征光波导的重要参数，上述专利产品的波导芯层采用的是掺锗二氧化硅，其虽然可以增加折射率，但是由于锗对深紫外光吸收很大，不利于光的传输，若应用在深紫外波段会有较大的光传输损耗。因此，研发设计一种深紫外平面光波导，以掺杂硼磷的石英异质光波导结构，实现光波导在深紫外波段应用的可能性，有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种深紫外平面光波导，通过掺杂不同浓度的硼和磷改变光波导的折射率，减少对深紫外波段光的吸收和应力，使光波导能够应用在深紫外波段。

为了实现上述目的，本发明涉及的深紫外平面光波导的主体结构包括基底层、凸台、芯层、保护层和上包层；长方体结构的基底层的上表面中心处沿纵向轴线设置有长方体结构的凸台，凸台的上表面设置有长方体结构的芯层，基底层的上表面未设置凸台的位置与芯层的上表面设置有保护层，保护层的上表面设置有上包层。

本发明涉及的基底层和凸台为二氧化硅基片，二氧化硅基片能够减少基底层和凸台与芯层结合产生的热应力，降低了基底层、凸台和芯层的制作成本；芯层和上包层均为含有硼和磷的二氧化硅基片，硼和磷在芯层中的含量大于硼和磷在上包层中的含量，掺硼的目的是减小芯层分别与凸台和保护层结合产生的热应力以及上包层与保护层结合产生的热应力，掺磷的目的是增加芯层和上包层的折射率，芯层的折射率分别大于基底层的折射率和上包层的折射率；保护层为多晶硅或硅氧化成的二氧化硅膜层，保护层能够保护芯层并防止芯层与上包层发生互溶，由于芯层的折射率与上包层的折射率相差较小，芯层的理化性质与上包层的理化性质相近，芯层与上包层直接接触时，芯层与上包层会发生互溶。

本发明涉及的深紫外平面光波导的制作方法的工艺过程包括制备基底层、制备芯层、制备保护层和制备上包层共四个步骤：

(一)制备基底层：将二氧化硅基片裁剪成设定的尺寸，完成基底层的制备；

(二)制备芯层：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(Flame Hydrolysis Method)在基底层的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成芯层的制备；

(三)制备保护层：按照设定的尺寸裁减掉部分基底层和芯层，基底层上的凸起为凸台，基底层和芯层形成凸状结构，采用气相沉积或硅烷法在凸状结构的上表面生长一层多晶硅膜或纯硅膜，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，完成保护层的制备；

(四)制备上包层：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(Flame Hydrolysis Method)在保护层的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成上包层的制备，其中，硼和磷在上包层的二氧化硅中的含量小于硼和磷在芯层的二氧化硅中的含量，得到深紫外平面光波导。

本发明涉及的芯层与上包层选用相同的工艺方法制作。

本发明与现有技术相比，材质为二氧化硅的基底层能够减少热应力，掺杂硼和磷的芯层和上包层对深紫外波段光的吸收量少，同时能够提高光波导的折射率，材质为二氧化硅的保护层能够防止芯层与上包层的互溶，基底层、芯层、保护层和上包层构成横截面为矩形结构的掺杂硼和磷的石英异质波导可以应用在深紫外波段，对生物与化学传感、医疗卫生、食品安全、海洋探测等领域的发展有重要意义；其光波导的结构和制作方法工艺简单，既能提高折射率，又能降低深紫外光的传输损耗，能够作为各种光器件的制造原材料。

附图说明：

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明的制作方法的工艺流程框图。

图3为本发明实施例1涉及的深紫外平面光波导的单模仿真图。

图4为本发明实施例1涉及的深紫外平面光波导的制作方法的过程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的深紫外平面光波导的主体结构包括基底层10、凸台20、芯层30、保护层40和上包层50；长方体结构的基底层10的上表面中心处沿纵向轴线设置有长方体结构的凸台20，凸台20的上表面设置有长方体结构的芯层30，基底层10的上表面未设置凸台20的位置与芯层30的上表面设置有保护层40，保护层40的上表面设置有上包层50。

本实施例涉及的基底层10和凸台20为二氧化硅基片，二氧化硅基片能够减少基底层10和凸台20与芯层30结合产生的热应力，降低了基底层10、凸台20和芯层30的制作成本；芯层30和上包层50均为含有硼和磷的二氧化硅基片，硼和磷在芯层30中的含量大于硼和磷在上包层50中的含量，掺硼的目的是减小芯层30分别与凸台20和保护层40结合产生的热应力以及上包层50与保护层40结合产生的热应力，掺磷的目的是增加芯层30和上包层50的折射率，芯层30的折射率分别大于基底层10的折射率和上包层50的折射率；保护层40为多晶硅或硅氧化成的二氧化硅膜层，保护层40能够保护芯层30并防止芯层30与上包层50发生互溶，由于芯层30的折射率与上包层50的折射率相差较小，芯层30的理化性质与上包层50的理化性质相近，芯层30与上包层50直接接触时，芯层30与上包层50会发生互溶。

本实施例涉及的深紫外平面光波导的制作方法的工艺过程包括制备基底层、制备芯层、制备保护层和制备上包层共四个步骤：

(一)制备基底层10：将二氧化硅基片裁剪成设定的尺寸，完成基底层10的制备；

(二)制备芯层30：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(Flame Hydrolysis Method)在基底层10的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成芯层30的制备；

(三)制备保护层40：按照设定的尺寸裁减掉部分基底层10和芯层30，基底层10上的凸起为凸台20，基底层10和芯层30形成凸状结构，采用气相沉积或硅烷法在凸状结构的上表面生长一层多晶硅膜或纯硅膜，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，完成保护层40的制备；

(四)制备上包层50：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical VaporDeposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(FlameHydrolysis Method)在保护层40的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成上包层50的制备，其中，硼和磷在上包层50的二氧化硅中的含量小于硼和磷在芯层30的二氧化硅中的含量，得到深紫外平面光波导。

本实施例涉及的芯层30与上包层50选用相同的工艺方法制作。

本实施例制备的深紫外平面光波导的主要材料为二氧化硅，其紫外光吸收损耗小，稳定性好，能够应用于深紫外波段。

Claims (4)

1.一种深紫外平面光波导，其特征在于主体结构包括基底层、凸台、芯层、保护层和上包层；长方体结构的基底层的上表面中心处沿纵向轴线设置有长方体结构的凸台，凸台的上表面设置有长方体结构的芯层，基底层的上表面未设置凸台的位置与芯层的上表面设置有保护层，保护层的上表面设置有上包层。

2.根据权利要求1所述的深紫外平面光波导，其特征在于所述基底层和凸台为二氧化硅基片，二氧化硅基片能够减少基底层和凸台与芯层结合产生的热应力，降低了基底层、凸台和芯层的制作成本；芯层和上包层均为含有硼和磷的二氧化硅基片，硼和磷在芯层中的含量大于硼和磷在上包层中的含量，掺硼的目的是减小芯层分别与凸台和保护层结合产生的热应力以及上包层与保护层结合产生的热应力，掺磷的目的是增加芯层和上包层的折射率，芯层的折射率分别大于基底层的折射率和上包层的折射率；保护层为多晶硅或硅氧化成的二氧化硅膜层，保护层能够保护芯层并防止芯层与上包层发生互溶，由于芯层的折射率与上包层的折射率相差较小，芯层的理化性质与上包层的理化性质相近，芯层与上包层直接接触时，芯层与上包层会发生互溶。

3.根据权利要求1所述的深紫外平面光波导，其特征在于制作方法的工艺过程包括制备基底层、制备芯层、制备保护层和制备上包层共四个步骤：

(一)制备基底层：将二氧化硅基片裁剪成设定的尺寸，完成基底层的制备；

(二)制备芯层：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(Flame Hydrolysis Method)在基底层的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成芯层的制备；

(三)制备保护层：按照设定的尺寸裁减掉部分基底层和芯层，基底层上的凸起为凸台，基底层和芯层形成凸状结构，采用气相沉积或硅烷法在凸状结构的上表面生长一层多晶硅膜或纯硅膜，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，完成保护层的制备；

(四)制备上包层：采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)、低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)或火焰法(Flame Hydrolysis Method)在保护层的上表面生长含有硼和磷的二氧化硅，完成上包层的制备，其中，硼和磷在上包层的二氧化硅中的含量小于硼和磷在芯层的二氧化硅中的含量，得到深紫外平面光波导。

4.根据权利要求1所述的深紫外平面光波导，其特征在于芯层与上包层选用相同的工艺方法制作。