CN1142452C - 一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法，特征在于以绝缘层上的硅为基材料，利用硅的各向异性腐蚀特性，通过氧化、光刻、腐蚀等微机械加工技术，制作出位置精确、镜面平整度高且与波导平面绝对垂直的全反射镜，并和用绝缘层硅材料制作出的单模脊形波导一起构成大角度、小尺寸、损耗低的弯曲波导。将此结构应用于无源光器件(如光耦合器、阵列波导光栅等等)中以实现结构紧凑、集成度高、性能好、工艺简单、可以批量生产的光通信器件。

Description

一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法

本发明涉及一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法，更确切地说是一种利用硅的各向异性腐蚀在绝缘层上的硅材料上制作镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法。属于微电子机械领域。

信息时代要求越来越大的网络传输容量，密集波分复用技术被广泛应用于目前或将要建设的光纤通信系统中。而作为密集波分复用系统的组成网元之一，光通信器件的发展扮演着尤为重要的角色。集成光波导型器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，通过氧化、光刻、刻蚀等加工工艺，制作的器件具有体积小，精度高，便于大批量的集成化生产等优点，在今后的接入网中有很大的潜在应用，它已经成为目前研究和开发的重点。

弯曲波导是光纤与光电子器件和集成光学器件间耦合所必需的部分，并且由于器件尺寸的紧凑性要求在短距离、小面积范围内实现光波的转向也使大幅度的弯曲成为必要。

目前实现波导弯曲的方法主要有三类：直接转向型、弧形转向型和镜面反射型。直接转向型弯曲波导随着弯曲角度的增大，光场的损耗会由于弯曲前后的光波模式的失配而变大，其弯曲角度通常要小于1度，由于模式失配引起的损耗才可以忽略；而弧形波导也会由于过渡损耗和弯曲损耗的限制在实现短距离大弯曲时存在局限；镜面反射型弯曲波导，通过在必要的位置制作镜面，由镜面处光的全反射特性或强反射特性，改变光束传播方向，实现波导的弯曲，它有实现大角度和小尺寸的潜力，所以很具发展前途。目前镜面反射型弯曲波导主要存在镜面表面粗糙、垂直性不好，以及镜面位置难以精确控制等问题。用绝缘层上的硅材料来制作全反射型弯曲波导，利用硅在各向异性腐蚀液中的特性，可以很好地解决上述问题。

本发明的目的在于提供一种利用各向异性腐蚀在绝缘层上的硅材料上制作镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法。本发明的目的是通过下述方式实施的。

以绝缘层上的硅为基材料，利用硅的各向异性腐蚀特性，通过氧化、光刻、腐蚀等简单的微机械加工技术，制作出位置精确、镜面平整度高且与波导平面绝对垂直的全反射镜，并和用绝缘层上的硅材料制作出的单模脊形波导一起构成大角度、小尺寸、损耗低的弯曲波导。将此结构应用于无源光器件(如光耦合器、阵列波导光栅等等)中以实现结构紧凑、集成度高、性能好、工艺简单、可以批量生产的光通信器件。

器件的具体工艺步骤如下：

1.绝缘层上的硅材料器件层表面长一层光刻掩膜。

2.光刻出波导图形。

3.腐蚀出波导图形，腐蚀深度控制在满足波导单模条件。

4.绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅。

5.光刻出镜子图形。

6.在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀时间控制在绝缘层硅材料上层硅层腐蚀完为止，在波导转弯处形成镜面。

7.去二氧化硅。

本发明提供的制作方法的优越性是显而易见的，具体是：

1.利用硅-空气界面做为全反射镜面，从理论上可以使波导的弯曲损耗降为零。

2.在短距离内实现了大角度的弯曲(在(110)和(100)晶向的绝缘层上的硅材料中输入光束和输出光束的夹角分别为71°和90°)，提高了器件的集成度，有很大的应用潜力。

3.在应用于阵列波导光栅的制作中，不仅减小了波导光栅的尺寸，而且比通常用不同半径的弧形弯曲来实现光程差的方法更简单易算，精确度高。

4.工艺简单，成本低，制作的精度高，便于大批量生产。

下面通过附图和实施例阐述本发明提供的方法的创造性特点和显著进步。但本发明决非仅限于实施例。

本发明利用硅在一些腐蚀液(如氢氧化钾溶液，四甲基氢氧化铵溶液)中的各向异性腐蚀作用形成的垂直于硅表面的光亮晶面做为全反射镜，实现镜面反射型弯曲波导。

附图1是器件层为(110)晶向的绝缘层上的硅材料中的弯曲波导结构。结构块4是在(110)晶向的器件层上腐蚀出的一个侧壁与材料表面垂直的坑，它的四个侧壁为{111}晶面，可用作全反射镜面。结构块1，2，3是单模脊型波导。(a)：脊型波导1中的光束被全反射镜面反射后分成两束光通过脊形波导2、3继续传播。(b)：脊型波导1中的光束被全反射镜面反射后通过脊形波导2继续传播。全反射镜面的夹角为109°，输入和输出光束之间的夹角为71°。

附图2是器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料中的弯曲波导结构。该结构中用作镜面的是沿<100>方向侧向腐蚀出的垂直于晶片表面的(100)晶面。结构块5是在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上腐蚀出的一个坑，其中粗线条的侧壁是为垂直于材料表面的{100}全反射镜面。结构块1、2、3为单模脊型波导。(a)：双面镜，二个脊形波导1中的传播光束被全反射镜面反射后分别通过脊形波导2、3继续传播。(b)：单面镜，脊形波导1中的传播光束被全反射镜面反射后通过脊形波导2继续传播。输入光束和输出光束之间夹角为90°

实施例1：(110)晶向的绝缘层上的硅材料上制作1×2^N光功率分配器

附图3是在器件层为(110)晶向的绝缘层上的硅材料上制作的功分器的示意图。(a)为1×4功分器示意图。(b)为1×16功分器示意图。通过1×2结构的级连可以构成1×2^N的功分器(N＝1，2，3…)。(110)晶向的绝缘层上的硅材料可以腐蚀出两面相交的微镜，所以输入光束直接被镜面分成两束光传播。

该器件的具体工艺步骤如下：

1.绝缘层上的硅材料正面蒸铝。

2.光刻出波导图形，腐蚀铝。

3.反应离子刻蚀硅，刻蚀深度控制1-4μm，在满足波足单模条件。

4.去铝。

4.去铝。

5.绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅。

6.光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅。

7.各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，在波导转弯处形成镜面。

8.去二氧化硅。

实施例2：(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作1×2^N光功率分配器

附图4是在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作的功分器的示意图。(a)为1×4功分器示意图。(b)为1×16功分器示意图。通过1×2结构的级连可以构成1×2^N的功分器(N＝1，2，3…)。(100)晶向的绝缘层上的硅材料受晶体中{111}面的限制不能腐蚀出直接相交的镜面，所以将入射光先用一段分叉角度极小的弧型弯曲将其分成两束光后再通过镜面反射。

该器件的具体工艺步骤如下：

1.绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅。

2.光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅。

3.各向异性腐蚀，腐蚀深度控制1-4μm，在满足波导单模条件。

4.去二氧化硅。

5.绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅。

6.光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅。

7.各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，在波导转弯处形成镜面。

8.去二氧化硅。

实施例3：在阵列波导光栅器件中的应用

附图5是用本发明提出的弯曲波导结构制作阵列波导光栅的示意图。(a)为在(110)晶向的绝缘层上的硅材料上的实施示例。(b)为在(100)晶向的绝缘层上的硅材料上的实施示例。

结构块4或5根据具体情况和用途可以是多模干涉型耦合器、星型耦合器、扇形波导等。

Claims (9)

1.一种镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于利用硅的各向异性腐蚀特性制作出位置精确、镜面平整度高并且与波导平面绝对垂直的全反射镜面，并和用绝缘层上的硅材料制作出的单模脊型波导一起构成弯曲波导。

2.按权利要求1所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于所述的利用硅的各向异性腐蚀，在(110)晶向的绝缘层上的硅材料腐蚀出一个侧壁和材料表面垂直的坑，它的侧壁为{111}晶面，作为全反射镜面。

3.按权利要求1所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于所述的利用硅的各向异性腐蚀，在(100)晶向的绝缘层上的硅材料上腐蚀出一个坑，其侧壁垂直于材料表面的{100}晶面，作为全反射镜面。

4.按权利要求1或2所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于(110)晶向的绝缘层上的硅材料可以腐蚀出两面相交的微镜，输入光束直接被镜面分成两束光传播。

5.按权利要求1或3所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于(100)晶向的绝缘层上的硅材料将入射光用一段分叉角极小的弧型弯曲分成两束光后再通过镜面全反射。

6.按权利要求1或2或3所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构，其特征在于可应用于多模干涉型耦合器、星型耦合器、扇形波导。

7.按权利要求1所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构的制作方法，其特征在于器件的具体工艺步骤为：

(1)绝缘层上的硅材料器件层表面长一层光刻掩膜；

(2)光刻出波导图形；

(3)腐蚀出波导图形，腐蚀深度控制在满足波导单膜条件；

(4)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(5)光刻出镜子图形；

(6)在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀时间控制在绝缘层硅材料上层硅层腐蚀完为止，在波导转弯处形成镜面；

(7)去二氧化硅。

8.按权利要求1所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构的制作方法，其特征在于器件层为(110)晶向的绝缘层上的硅材料上制作的具体工艺步骤为：

(1)绝缘层上的硅材料正面蒸铝；

(2)刻出波导图形，腐蚀铝；

(3)反应离子刻蚀硅，刻蚀深度控制在1～4μm；

(4)去铝；

(5)绝缘层硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(6)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(7)各向异性腐蚀，在波导转弯处形成镜面；

(8)去二氧化硅。

9.按权利要求1所述的镜面全反射型弯曲波导器件结构的制作方法，其特征在于器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作的具体工艺步骤为：

(1)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(2)光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅；

(3)各向异性腐蚀，腐蚀深度控制在1～4μm；

(4)去二氧化硅；

(5)绝缘层硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(6)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(7)各向异性腐蚀，在波导转弯处形成镜面，腐蚀时间控制在绝缘层硅材料上层硅层腐蚀完为止；

(8)去二氧化硅。

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