CN108627915B - 一种深紫外多量子阱波导 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光信号处理器件技术领域，涉及一种深紫外多量子阱波导，主体结构包括下保护层、衬底层、芯层、包覆层和上保护层，在衬底层上采用两种或者两种以上的组合材料，生长高/低折射率交替的低折射率层和高折射率层，再将低折射率层和高折射率层刻蚀成矩形限制区作为芯层，在芯层的周围生长包覆层，最后在衬底层的底面和包覆层的顶面分别生长下表护层和上保护层，得到矩形结构的紫外多量子阱波导，通过设计低折射率层和高折射率层的层数和厚度自由改变芯层的有效折射率差，为深紫外量子阱波导提供了灵活的设计思路、简单的结构和制作方法；其尺寸小，传输损耗低，在深紫外波段上对深紫外吸收较小，能够作为各种光波导器件的原材料。
Description
技术领域：
本发明属于光信号处理器件技术领域，涉及一种深紫外多量子阱波导，采用两种或者两种以上的组合材料，通过生长高/低折射率交替层，制备应用于深紫外波段的多量子阱波导，在生物传感、医疗卫生和海洋探测等领域发挥重要作用。
背景技术：
多量子阱(multiple quantum well)是指多个量子阱组合在一起的系统，多量子阱也可由晶格不匹配的两种材料构成。如果晶格失配在一定的限度内(小于7％)，而且应变材料的厚度不超过临界厚度，就可依靠弹性形变补偿晶格常数之间的差别，而在界面不产生位错和缺陷，这种多量子阱称为应变量子阱。由于晶格中的弹性形变影响能带结构，这样又多了一种“剪裁”能带的手段——应变，利用应变量子阱的特点制成InGaAsP/InP长波长(1.3微米)应变量子阱激光器，阈值电流大大降低，特征温度相应提高。半导体级联红外激光器和级联太赫激光器，都是将多量子阱置于反向偏置的P+N－N+结中N－区，利用电子多阱顺序隧穿实现激光，而激光波长取决于子带之间的能量差。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02124387.5公开的一种多量子阱波导对接耦合方法包括如下步骤：(1)在衬底上外延生长元器件A的多量子阱结构；(2)淀积一层介质膜后，掩膜光刻，腐蚀掉A台条以外的多量子阱结构，该介质膜是二氧化硅或氧化硅；(3)再次外延元器件B的多量子阱结构；(4)掩膜光刻去掉A和B界面处生长质量不好的部分；(5)最后大面积外延优化设计的体材料，同时作为元器件A和B的上波导，以及它们之间的耦合波导；中国专利201410104279.8公开的一种非对称金属光栅包覆半导体多量子阱波导激光器包括从上到下依次叠置的上金属光栅层、有源层、下金属包覆层和衬底，其中所述上金属光栅层和下金属包覆层均由金属构成，所述上金属光栅层上制作有一维条形金属光栅；所述有源层是由多量子阱材料构成；所述上金属光栅层和下金属包覆层的表面结构不同，该上金属光栅层和下金属包覆层能将光场局域在所述有源层中；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201110458024.8公开的一种多量子阱波导对接耦合方法包括：A、在N型衬底上一次外延第一多量子阱结构，所述第一多量子阱结构包括第一下波导层、第一多量子阱层和第一上波导层；B、待淀积介质膜后，进行掩膜光刻，采用三步蚀刻法去掉需进行二次外延的第一区域的波导部分；所述的介质膜为二氧化硅或氮化硅；所述三步蚀刻法为：依次采用RIE干法刻蚀，非选择性湿法腐蚀以及选择性湿法腐蚀对需要进行二次外延的第一区域的波导部分进行蚀刻；C、将外延片置入金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理；所述高温热处理的温度为680摄氏度，时间为15分钟；D、进行二次外延生长第二多量子阱结构，所述第二多量子阱结构，生成有第二下波导层，第二多量子阱层和第二上波导层；光波导在光信号传输领域是一种极其重要的结构，大多数光器件都需要通过光波导来传输光信号，比如AWG、光开关等光学器件。单片集成光子器件将至少两种功能的器件单片集成在一起，能够避免各功能器件之间的耦合损耗，从而简化器件的耦合封装。深紫外波段在杀菌、透视鉴定、海洋微生物研究、医疗等方面具有广泛的应用潜力，所以，深紫外波段的光波导在科学研究方面具有重要意义。由于紫外光能量较高，很多光波导材料都吸收紫外光，能够用于传输紫外光的材料很少，基于紫外波段波长较短，紫外单模波导的尺寸要求小，芯包折射率差小，工艺容差小，导致工艺上制作困难。因此，研发设计一种深紫外多量子阱波导，克服常规紫外单模波导尺寸小，芯包折射率差小，光场局域性不强和工艺容差小等缺陷，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多量子阱波导，制备具有尺寸小、传输损耗低以及易于制作和集成的多量子阱波导。
为了实现上述目的，本发明涉及的深紫外多量子阱波导的主体结构包括下保护层、衬底层、芯层、包覆层和上保护层；矩形板状结构的下保护层的上表面设置有矩形块状结构的衬底层，衬底层的中心设置有矩形块状结构的芯层，芯层的前部、后部、左部、右部和上部裹覆有包覆层，包覆层的上表面设置有矩形板状结构的上保护层；芯层的主体结构包括低折射率层和高折射率层，低折射率层和高折射率层按照一层低折射率层，一层高折射率层的顺序由下至上交替设置，最后由一层低折射率层封顶，低折射率层的层数为n，高折射率层层数为n-1。
本发明涉及的下保护层和上保护层为多晶硅膜或纯硅膜；衬底层、低折射率层、高折射率层和包覆层的原料包括在深紫外波段光吸收系数较小的二氧化硅、氟化镁、氟化钙、氧化镁、氟化镧、氧化铝和氧化铪；下保护层和上保护层的作用是防止衬底层、芯层和包覆层受潮和受损；低折射率层和高折射率层选取两种或两种以上的组合材料生长后刻蚀成低折射率层和高折射率层交替的矩形限制区结构的芯层，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率，最上层低折射率层的厚度与最下层低折射率层的厚度相同，最上层低折射率层的厚度和最下层低折射率层的厚度与中间层低折射率层的厚度不相同。
本发明涉及的芯层的等效折射率根据低折射率层和高折射率层厚度和层数的选取确定，根据芯层的等效折射率控制深紫外多量子阱波导的折射率差和弯曲半径以及基于深紫外多量子阱波导制备的器件的尺寸，使制备的器件更易于集成，基于深紫外多量子阱波导制作的Y分束器在225nm波长处，能够稳定传输紫外光波，并在Y分支处将能量均分为二。
本发明涉及的深紫外多量子阱波导的制作方法的工艺过程包括制备衬底层、制备芯层、制备包覆层和制备保护层共四个步骤：
(一)制备衬底层：选取衬底层的原材料，将原材料基片裁剪成设定的尺寸，完成衬底层的制备；
(二)制备芯层：采用等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、化学气相沉积法或火焰法在衬底层的上表面按照一层低折射率层，一层高折射率层的顺序由下至上交替生长低折射率层和高折射率层，最后由一层低折射率层封顶，低折射率层的层数为6，高折射率层层数为5，采用刻蚀工艺将低折射率层和高折射率层刻蚀成矩形限制区结构的芯层，完成芯层的制备；
(三)制备包覆层：采用等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、化学气相沉积法或火焰法在芯层的前部、后部、左部、右部和上部生长包覆层；
(四)制备保护层：采用气相沉积或硅烷法在衬底层1的底面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为下保护层，在包覆层的顶面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为上保护层，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，或者直接在衬底层1的底面生长一层金属膜作为下保护层，在包覆层的顶面生长一层金属膜作为上保护层，完成保护层的制备，得到深紫外多量子阱波导。
本发明制备的深紫外多量子阱波导为矩形波导，矩形波导的尺寸根据衬底层、低折射率层、高折射率层和包覆层的原料选取以及低折射率层和高折射率层的厚度和层数选取确定。
本发明与现有技术相比，在衬底层上采用两种或者两种以上的组合材料，生长高/低折射率交替的低折射率层和高折射率层，再将低折射率层和高折射率层刻蚀成矩形限制区作为芯层，在芯层的周围生长包覆层，最后在衬底层的底面和包覆层的顶面分别生长下表护层和上保护层，得到矩形结构的紫外多量子阱波导，通过设计低折射率层和高折射率层的层数和厚度自由改变芯层的有效折射率差，为深紫外量子阱波导提供了灵活的设计思路、简单的结构和制作方法；其尺寸小，传输损耗低，易于集成，在深紫外波段上对深紫外吸收较小，能够作为各种光波导器件的原材料。
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流程框图。
图3为本发明实施例1涉及的Y分束器的试验结果示意图。
图4为本发明实施例2涉及的深紫外多量子阱波导制作方法的过程示意图。
图5为本发明实施例2制备的深紫外多量子阱波导的模场分布图。
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多量子阱波导的主体结构包括下保护层1、衬底层2、芯层3、包覆层4和上保护层5；矩形板状结构的下保护层1的上表面设置有矩形块状结构的衬底层2，衬底层2的中心设置有矩形块状结构的芯层3，芯层3的前部、后部、左部、右部和上部裹覆有包覆层4，包覆层4的上表面设置有矩形板状结构的上保护层5；芯层3的主体结构包括低折射率层10和高折射率层20，低折射率层10和高折射率层20按照一层低折射率层10，一层高折射率层20的顺序由下至上交替设置，最后由一层低折射率层10封顶，低折射率层10的层数为n(n为大于3的整数)，高折射率层20层数为n-1(n为大于3的整数)。
本实施例涉及的下保护层1和上保护层5为多晶硅膜或纯硅膜；衬底层2、低折射率层10、高折射率层20和包覆层4的原料包括在深紫外波段光吸收系数较小的二氧化硅、氟化镁、氟化钙、氧化镁、氟化镧、氧化铝和氧化铪；下保护层1和上保护层5的作用是防止衬底层2、芯层3和包覆层4受潮和受损；低折射率层10和高折射率层20选取两种或两种以上的组合材料生长后刻蚀成低折射率层10和高折射率层20交替的矩形限制区结构的芯层3，低折射率层10的折射率低于高折射率层20的折射率，最上层低折射率层10的厚度与最下层低折射率层10的厚度相同，最上层低折射率层10的厚度和最下层低折射率层10的厚度与中间层低折射率层10的厚度不相同。
本实施例涉及的芯层3的等效折射率根据低折射率层10和高折射率层20厚度和层数的选取确定，根据芯层3的等效折射率控制深紫外多量子阱波导的折射率差和弯曲半径以及基于深紫外多量子阱波导制备的器件的尺寸，使制备的器件更易于集成，如图3所示的基于深紫外多量子阱波导制作的Y分束器在225nm波长处，能够稳定传输紫外光波，并在Y分支处将能量均分为二。
实施例2：
本实施例涉及的深紫外多量子阱波导的制作方法的工艺过程包括制备衬底层、制备芯层、制备包覆层和制备保护层共四个步骤：
(一)制备衬底层：选取衬底层2的原材料，将原材料基片裁剪成设定的尺寸，完成衬底层2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)在衬底层2的上表面按照一层低折射率层10，一层高折射率层20的顺序由下至上交替生长低折射率层10和高折射率层20，最后由一层低折射率层10封顶，低折射率层10的层数为6，高折射率层20层数为5，采用刻蚀工艺将低折射率层10和高折射率层20刻蚀成矩形限制区结构的芯层3，完成芯层3的制备；
(三)制备包覆层：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)在芯层3的前部、后部、左部、右部和上部生长包覆层4；
(四)制备保护层：采用气相沉积或硅烷法在衬底层1的底面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为下保护层1，在包覆层4的顶面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为上保护层5，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，或者直接在衬底层1的底面生长一层金属膜作为下保护层1，在包覆层4的顶面生长一层金属膜作为上保护层5，完成保护层的制备，得到深紫外多量子阱波导。
本实施例制备的深紫外多量子阱波导为矩形波导，矩形波导的尺寸根据衬底层2、低折射率层10、高折射率层20和包覆层4的原料选取以及低折射率层10和高折射率层20的厚度和层数选取确定。
Claims (5)
1.一种深紫外多量子阱波导，其特征在于，为矩形波导，主体结构包括下保护层、衬底层、芯层、包覆层和上保护层；矩形板状结构的下保护层的上表面设置有矩形块状结构的衬底层，衬底层的中心设置有矩形块状结构的芯层，芯层的前部、后部、左部、右部和上部裹覆有包覆层，包覆层的上表面设置有矩形板状结构的上保护层；芯层的主体结构包括低折射率层和高折射率层，低折射率层和高折射率层按照一层低折射率层，一层高折射率层的顺序由下至上交替设置，最后由一层低折射率层封顶，低折射率层的层数为n，高折射率层层数为n-1，其中，n为大于3的整数。
2.根据权利要求1所述的深紫外多量子阱波导，其特征在于，下保护层和上保护层为纯硅膜；衬底层、低折射率层、高折射率层和包覆层的原料包括在深紫外波段光吸收系数较小的二氧化硅、氟化镁、氟化钙、氧化镁、氟化镧、氧化铝和氧化铪；下保护层和上保护层的作用是防止衬底层、芯层和包覆层受潮和受损；低折射率层和高折射率层选取两种或两种以上的组合材料生长后刻蚀成低折射率层和高折射率层交替的矩形限制区结构的芯层，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率，最上层低折射率层的厚度与最下层低折射率层的厚度相同，最上层低折射率层的厚度和最下层低折射率层的厚度与中间层低折射率层的厚度不相同。
3.根据权利要求1所述的深紫外多量子阱波导，其特征在于，芯层的等效折射率根据低折射率层和高折射率层厚度和层数的选取确定，根据芯层的等效折射率控制深紫外多量子阱波导的折射率差和弯曲半径以及基于深紫外多量子阱波导制备的器件的尺寸，使制备的器件更易于集成，基于深紫外多量子阱波导制作的Y分束器在225nm波长处，能够稳定传输紫外光波，并在Y分支处将能量均分为二。
4.根据权利要求1所述的深紫外多量子阱波导，其特征在于，制作方法的工艺过程包括制备衬底层、制备芯层、制备包覆层和制备保护层共四个步骤：
(一)制备衬底层：选取衬底层的原材料，将原材料基片裁剪成设定的尺寸，完成衬底层的制备；
(二)制备芯层：采用化学气相沉积法在衬底层的上表面按照一层低折射率层，一层高折射率层的顺序由下至上交替生长低折射率层和高折射率层，最后由一层低折射率层封顶，低折射率层的层数为6，高折射率层层数为5，采用刻蚀工艺将低折射率层和高折射率层刻蚀成矩形限制区结构的芯层，完成芯层的制备；
(三)制备包覆层：采用等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、化学气相沉积法或火焰法在芯层的前部、后部、左部、右部和上部生长包覆层；
(四)制备保护层：采用气相沉积或硅烷法在衬底层1的底面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为下保护层，在包覆层的顶面生长一层多晶硅膜或纯硅膜作为上保护层，使用热氧化工艺将多晶硅莫或硅膜氧化成二氧化硅，或者直接在衬底层1的底面生长一层金属膜作为下保护层，在包覆层的顶面生长一层金属膜作为上保护层，完成保护层的制备，得到深紫外多量子阱波导。
5.根据权利要求1所述的深紫外多量子阱波导，其特征在于，矩形波导的尺寸根据衬底层、低折射率层、高折射率层和包覆层的原料选取以及低折射率层和高折射率层的厚度和层数选取确定。
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