CN109597222A - 一种平面硅波导器件中集成te型光隔离器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法。本发明采用两种方式沉积总厚度在500纳米以上的包层材料，第一层SiO2包层的厚度大于硅波导的高度并且低于450纳米，通过步骤2旋涂的方式，将步骤1制得基片的图案平面化，退火后不产生开裂现象和影响波导的透光性能；还采用CHF3和Ar混合的方式刻蚀SiO2包层，利用CHF3在刻蚀SiO2的过程中由于化学反应产生的有机物附着在硅波导表面，阻止了CHF3对硅波导的刻蚀，对部分暴露的硅波导表面起保护作用。本发明制备的隔离器，与微环结构相比，提高了器件的带宽，并解决了用晶元键合无法制备TE器件的难题。

Description

一种平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法。
背景技术
光隔离器是集成光学中不可或缺的重要组成部件，由于在集成光路中，各个组件链接处会难以避免的产生反射；而这些反射光若进入激光光源中，则会对激光的稳定性以及寿命产生重大影响。
目前，集成磁光隔离器主要有基于微环、马赫-曾德尔干涉(MZI)型，多模干涉(MMI)型和直波导几种构型。为了得到宽带的磁光隔离器，研究者使用MZI作为平台制备出了大于10纳米带宽的光隔离器。分光后，两个臂的光将分别传播，当其感受到来自不同方向的磁场时，非互易相移(NRPS)会在这两束光中产生相位差。若两臂本身就具有π/2的相位差，NRPS将会产生额外的±π/2。这样的最终效果就是，正向传播的光相位差会被抵消为零，而反向传播的光，则相加而形成了π的相位差。当两个臂的光相遇时，正向传播的光则会干涉相长而正常传播，反向传播的光则由于干涉相消而不能通过。MZI光隔离器的优点在于其可以在较宽的频谱上使用，而缺点在于器件大小一般接近毫米量级，且理论插损值会比微腔大。
目前，集成磁光隔离器绝大多数仍然只工作于横磁(TM)偏振状态。这是由于NRPS的产生，依赖于磁光薄膜钇铁石榴石(YIG)中的光场不对称性。产生TM偏振状态的NRPS，需要光场在YIG薄膜中的面外方向有不对称性；而产生横电(TE)偏振状态的NRPS，则需要光场在YIG薄膜中的面内方向有不对称性。目前的器件，均是先做出波导器件，然后在器件的部分位置开窗口来实现YIG薄膜和波导的接触。这样器件的结构上，YIG是分布在波导上侧以及左右两侧的。由于左右两侧是对称的，因此光场只有面外的不对称性，因而只能产生TM的NRPS。要制备出TE的集成磁光隔离器，需要将波导左右两侧的一侧封闭，只暴露出另一侧让其跟YIG接触，这样才能产生出面内的光场分布不对称性。然而，由于薄膜沉积时，在波导侧壁沉积的效率很低，因此在侧壁很难生长出较厚的薄膜而不引起薄膜开裂。然而厚膜为形成高结晶度薄膜的必要条件，所以目前还没有基于NRPS的TE集成磁光隔离器。
基于非互易效应的集成光隔离器主要依赖于材料的磁光效应，即YIG及稀土掺杂类YIG。由于该材料很难实现在硅上生长，尤其是侧壁的生长，目前大多数的研究均基于TM偏振态的隔离器。然而，从激光器出来的光源大多是TE偏振态，因此，集成的TE隔离器显得尤为重要。
发明内容
针对上述问题及不足，为解决TE型磁光隔离器无法集成的问题，本发明提供了一种平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法，基于MZI型结构，在波导侧壁沉积磁光薄膜，从而实现对TE偏振态光实现隔离的器件。
具体技术方案如下：
步骤1、采用Silicon on Insulator(SOI)基片，将光刻胶旋涂在SOI基片上，依次经曝光、显影、刻蚀，形成基于MZI型结构的预设图案。
步骤2、将Hydrogen Silsesquioxane(FOX-16)旋涂在步骤1制得基片的图案面上，并经快速退火(RTP)后形成不超过450纳米的第一层二氧化硅(SiO2)包层。
步骤3、采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法，在步骤2制得基片图案面侧，沉积第二层SiO2包层，两次SiO2包层的总厚度在500纳米以上。
步骤4、将正性光刻胶旋涂在步骤3所得基片图案面侧，依次经电子束曝光、显影、刻蚀及去胶；然后在MZI型结构两臂的侧壁处均刻蚀窗口，单个窗口的长度不超过臂长，窗口的刻蚀深度为两次SiO2包层的总厚度；刻蚀气体为CHF3：Ar＝8：1。
步骤5、在步骤4制得基片的图案面侧沉积一层5-10纳米厚的SiO2材料。
步骤6、采用脉冲激光沉积，将总厚度为150-250纳米的YIG/稀土掺杂YIG薄膜沉积于步骤5制得基片图案面上，即可制得TE型光隔离器。
进一步的，所述步骤1中硅的刻蚀气体为Cl2。
进一步的，所述步骤2中FOX-16的退火温度为700℃至1000℃，气氛为氧气或者氮气。
本发明在步骤2及步骤3中之所以采用两种方式沉积总厚度在500纳米以上的包层材料是因为可通过步骤2旋涂的方式，将步骤1制得基片的图案平面化，因此第一层SiO2包层的厚度需大于硅波导的高度并且低于450纳米。若高于该厚度，则在退火后会产生开裂现象，影响波导的透光性能。步骤4中采用CHF3和Ar混合的方式刻蚀SiO2包层是因为CHF3在刻蚀SiO2的过程中由于化学反应产生了一些有机物附着在硅波导表面，从而阻止了CHF3对硅波导的刻蚀，对部分暴露的硅波导表面起保护作用。
综上所述，本发明提供了一种集成TE模式MZI型隔离器的制备方法，通过该方法制备的隔离器，与微环结构相比，提高了器件的带宽，并解决了用晶元键合无法制备TE器件的难题。
附图说明
图1TE型磁光隔离器结构示意图；
图2实施例器件波导侧壁刻蚀后的扫描电子显微镜图谱(a)刻蚀后，(b)食人鱼刻蚀液中浸泡10分钟后；
图3实施例器件非互易臂沉积薄膜后的扫描电子显微镜图谱；
图4实施例器件在正向和反向传播时的透过率图谱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步阐述。
器件的制备过程将从SOI基片开始，其顶层Si及下包层SiO2的厚度分别为220纳米和3微米。
步骤1：首先将HSQ胶(浓度4％)旋涂在SOI基片上，旋转速度为3000转/分钟，并置于90摄氏度的热板上烘烤3分钟。
此后，用电子束曝光写出器件图案。曝光结束后，将基片置于四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中显影3分钟，并经去离子水冲洗1分钟后吹干，形成图案。
对Si的刻蚀将在等离子体刻蚀腔中进行，刻蚀气体选为Cl2，因为其在刻Si时相比SiO2，有很高的选择性，刻蚀的气压和功率分别是5mTorr和80W。
步骤2：将FOX-16旋涂在基片上，并通过快速退火而形成稳定的400纳米厚的第一SiO2包层。退火的温度为800℃，退火时间为5分钟，退火气氛为氧气。
步骤3：在PECVD腔中沉积200纳米厚的第二SiO2包层，以保证光在硅波导中传播的模式无法进入到顶层磁光薄膜中。
步骤4：窗口的图案，将由ZEP胶来完成书写。将ZEP-520A胶旋涂在经PECVD镀膜完成的基片图案面上并烘干，通过精确对准，在曝光机中进行窗口图案的曝光。依次经ZED-N50溶液、MIBK溶液以及异丙醇(IPA)溶液中各浸泡1分钟完成显影。窗口处SiO2的刻蚀采用干法反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀气体为CHF3：Ar＝8：1。最后，将基片浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中除去电子束胶，得到制备好的图案如图1所示。
在干法RIE刻蚀SiO2的过程中，通过在CHF3混入少量Ar的方法，使得在刻蚀顶层电子束光刻胶及SiO2的过程中具有较好的选择比，并且由于CHF3在刻蚀SiO2的过程中由于化学反应产生了一些有机物附着在硅波导表面，如图2(a)所示。从而保护硅波导不受该气体的刻蚀。刻蚀完毕后，将基片置于氧等离子腔或者热食人鱼刻蚀液中能有效的去除波导表面的有机物，从而保证磁光薄膜能直接与硅波导接触。图2(b)为刻蚀后在加热的食人鱼洗液中浸泡10分钟后的截面图。
步骤5：为避免Si和磁光薄膜在高温生长过程中的相互扩散，从而影响材料的结晶性能，在薄膜沉积之前，首先会采用磁控溅射的方法，在图2(b)所示的图案上沉积一层10纳米的SiO2薄膜。
步骤6：采用脉冲激光沉积(PLD),将步骤5制备好的基片放入PLD腔内，并抽真空，用高能量脉冲激光轰击YIG靶材，使得其沉积到基片上。取出基片并快速退火，将得到多晶的YIG种子层。之后，再放入PLD腔内，沉积Ce:YIG材料，Ce:YIG将直接在PLD腔内进行结晶而无需RTP处理。结晶好的基片即为最终的TE型光隔离器。图3为沉积了磁光薄膜材料后窗口处的截面图。
对实施例制得的TE型光隔离器在光学平台上进行测试，将器件切开暴露出波导断面。用光纤耦合法，将光引入并引出器件。测试时，将磁铁放在器件正下方，以保证磁场方向与光传播方向垂直。记录此器件在激光扫频过程中的透过谱，并将光传播方向进行正反来回的交换。通过对比透过谱，得到该磁光光隔离器的器件性能，如图4所示。该器件的最大隔离度达到30dB,在1588nm波长处的插损为9dB,10dB的隔离带宽为2nm，并且器件尺寸为0.87mm×0.34mm。
综上可见，本发明提供了一种集成TE模式MZI型隔离器的制备方法，全程采用干法刻蚀，避免了采用湿法HF刻蚀SiO2包层，从而可以有效的控制刻蚀的速率，达到很好的刻蚀效果。其次，实现了在硅侧壁上磁光薄膜的生长，并且侧壁材料的结晶性较好。

Claims (3)

1.一种平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、采用SOI基片，将光刻胶旋涂在SOI基片上，依次经曝光、显影、刻蚀，形成基于MZI型结构的预设图案；
步骤2、将FOX-16旋涂在步骤1制得基片的图案面上，并经退火后形成不超过450纳米的第一层二氧化硅SiO2包层；
步骤3、采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在步骤2制得基片图案面侧，沉积第二层SiO2包层，两次SiO2包层的总厚度在500纳米以上；
步骤4、将正性光刻胶旋涂在步骤3所得基片图案面侧，依次经曝光、显影、刻蚀及去胶；然后在MZI型结构两臂的侧壁处均刻蚀窗口，单个窗口的长度不超过臂长，窗口的刻蚀深度为两次SiO2包层的总厚度；刻蚀气体为CHF3：Ar＝8：1；步骤5、在步骤4制得基片的图案面侧沉积一层5-10纳米厚的SiO2材料；
步骤6、采用脉冲激光沉积，将总厚度为150-250纳米的YIG/稀土掺杂YIG薄膜沉积于步骤5制得基片图案面上，即可制得TE型光隔离器。
2.如权利要求1所述平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中刻蚀气体为Cl2。
3.如权利要求1所述平面硅波导器件中集成TE型光隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中退火温度为700℃至1000℃，气氛为氧气或者氮气。
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