CN1226644C - 实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法 - Google Patents

实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，包括如下步骤：(1)在硅衬底上用热氧化法、火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法形成二氧化硅下包层；(2)用等离子增强化学气相沉积法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层；(3)在波导中心用反应离子刻蚀法对称刻蚀掉其中一半；(4)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长芯层；(5)进行抛光处理；(6)用反应离子刻蚀法刻蚀芯层，形成条状对称结构的光波导层；(7)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长上包层，整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。

Description

实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法
技术领域
本发明涉及具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导一类的器件，用以实现该类波导的偏振不灵敏，特别涉及硅基二氧化硅阵列波导光栅(AWG)和马赫—曾德干涉(MZI)型器件的偏振不灵敏。
背景技术
硅基二氧化硅光波导是在硅衬底上沉积二氧化硅经刻蚀后形成的光波导，由于二氧化硅与硅衬底的热膨胀系数不一致，制备的波导存在应力不对称，该类光波导表现为较大的应力双折射，双折射系数约10-4量级，而一般的器件都要求对偏振不灵敏，需将整个波导的双折射系数降到10-5量级，因此实现硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏是该类型波导广泛应用的前提。
目前国际上对硅基二氧化硅偏振相关补偿的方法有沉积非晶硅薄膜法、插入半波片法、应力释放槽法、上包层重掺杂B、P法、不同宽度的波导混合集成法等(见文献：[1]Hiroshi Takahashi，Yoshinori Hibino，YasujiOhmori，Masao Kawachi.Polarisation-Insensitive Arrayed-WaveguideWavelength Multiplexer with Birefringence Compensation Film.IEEEPhotonics Technology Letters，1993，5(6)：707-709.[2]Yasuyuki Inoue，Hiroshi Takahashi，Shinji Ando，et al.Elimination of polarization sensitivity insilica-based wavelength division multiplexer using a polyimide half waveplate，IEEE J.of Lightwave Technology.1997，15(10)：1974-l957.[3]S.Suzuki，S.Sumida，Y.Inoue，et al.Polarisation insensitive arrayed-waveguide gratingsusing dopant rich silica-based glass with ghermal expansion adjusted to Sisubstrate.Electronics Letters.1997，33(13)：1173-1174.[4]E.Wildermuth，Ch.Nadler，M.Lanker，et al.Penalty-free polarisation compensation of SiO2/Siarrayed waveguide grating wavelength multiplexers using stress releasegrooves.Electronics letters，1998，34(20)：1661：1662.[5]Y.Inoue，M.Itoh，Y.Hibino，et al.Novel birefringence compensating AWG design.Optical Soc-iety of America.2000，WB4-1.)。K.Worhoff报道了用LPCVD生长高折射率氮化硅(Si3N4)作补偿层、PECVD生长3μm×3μm低折射率氮氧化硅(SiON)作芯区的双芯区方法减小波导的双折射效应(见文献K.Worhoff，B.J.Offrein，P.V.Lambeck，et al.Rirefringence Compensation ApplyingDouble-Core Waveguide Structures.IEEE Photonics Technology Letters，11(2)：206-208.)。而用PECVD生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层，在波导中心对称刻蚀掉其中一半补偿层实现波导及相关器件的偏振不灵敏，在国际上还没有报道。
由于二氧化硅与硅衬底的热膨胀系数不一致，硅基二氧化硅应力光波导表现为正的双折射系数，即
Bnc＝nTM，nc-nTE，nc＞0             (1)
而在该应力光波导的上方或下方沉积一定厚度的高折射率SiON补偿层可改变应力光波导的双折射系数，如附图1所示(模拟结果)。SiON补偿层可使应力波导的双折射系数补偿为负值即
Bc＝nTM，c-nTE.c＜0               (2)
下标nc表示无补偿层，c表示有补偿层。基于这一事实，可将波导对称地分为两部分，一部分为沉积补偿层的负双折射系数的波导，另一部分用无沉积补偿层的正双折射系数的波导，这样光通过整个波导后的光程为：
TM光： L 2 · n TM , c + L 2 · n TM , nc - - - ( 3 )
TE光： L 2 · n TE , c + L 2 · n TE , nc - - - ( 4 )
而通过整个波导后的双折射为：
B＝(nTM，c-nTE，c)+(nTM，nc-nTE，nc)＝Bc+Bnc       (5)
恰当选择SiON的厚度及折射率，就可使整个波导的双折射系数降到足够的小，达到10-5量级，实现整个光波导的偏振不灵敏。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，关键在于在硅基二氧化硅光波导对称的一半生长了可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层，使硅基二氧化硅光波导对光的偏振不灵敏，可实现硅基二氧化硅AWG和硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不灵敏。
本发明是通过下面方法实现的：
本发明一种用于实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，其特征在于，
(1)在硅衬底上用热氧化法、火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法形成二氧化硅下包层；
(2)用等离子增强化学气相沉积法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层；
(3)在波导中心用反应离子刻蚀法对称刻蚀掉其中一半；
(4)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长芯层，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；
(5)进行抛光处理；
(6)用反应离子刻蚀法刻蚀芯层13，形成条状对称结构的光波导层14；
(7)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长上包层，整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。
其中步骤(6)所述的对称结构的条状光波导层可以是直波导、弯曲波导或二者的组合。
其中步骤(2)中的高折射率SiON补偿层生长在芯区的上方，以中心对称刻蚀掉其中一半，可实现整个对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
其中步骤(2)中的高折射率SiON补偿层同时生长在芯区的上方和下方，以中心对称刻蚀掉其中一半，可实现整个对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
附图说明
图1是现有技术中应力光波导双折射系数随SiON补偿层厚度、折射率变化图；
图2是用高折射率SiON补偿层实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的工艺流程图；
图3是用高折射率SiON补偿层实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的侧向剖面图；
图4是用高折射率SiON补偿层实现对称结构硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的横向剖面图。
具体实施方式
请参阅图2，图2-1是在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；图2-2是用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12，SiON补偿层的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；图2-3是在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层12中的一半；图2-4是用FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；图2-5是进行抛光处理；图2-6是用RCE法刻蚀宽度为6μm的形成条状对称结构的光波导层14；图2-7是用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。图3与图4是硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕后的侧向与横向剖面图。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅应力光波导及相关器件的偏振不灵敏。
请参阅图2-2中的SiON补偿层12可生长在芯层13的上方。首先在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；用FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，折射率根据芯层与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；是用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层，SiON补偿层的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层中的一半；进行抛光处理；用RCE法刻蚀宽度为6μm的芯层13，形成条状对称结构的光波导层14；用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
请参阅图2-2中的SiON补偿层12可同时生长在芯层13的上方和下方。首先是在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12，SiON补偿层12的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；是在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层中的一半；用FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层13材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；进行抛光处理；再用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12；在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层中的一半；用RCE法刻蚀宽度为6μm的芯层13，形成条状对称结构的光波导层14；最后用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
请参阅图2-6中刻蚀的可以是对称的弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合。首先在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12，SiON补偿层12的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层12中的一半；FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，形成条状对称结构的光波导层14，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层13材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；进行抛光处理；RCE法刻蚀对称的弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合版图；FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏波导制备完毕。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合的偏振不灵敏。
请参阅图2-6中刻蚀的可以是对称的AWG器件版图。首先在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12，SiON补偿层的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层中的一半；FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，形成条状对称结构的光波导层14，折射率根据芯层与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；进行抛光处理；RCE法刻蚀AWG的版图；FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏AWG制备完毕。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅AWG的偏振不灵敏。
请参阅图2-6中刻蚀的可以是对称的MZI器件版图。首先在硅衬底10上用热氧化法、火焰水解法(FHD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)形成厚度应不低于15μm的二氧化硅下包层11，以限制光的泄漏；用PECVD法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层12，SiON补偿层的厚度和折射率应根据实际硅基二氧化硅应力光波导的双折射系数来调整，折射率可通过控制N的含量来实现；在波导对称中心用反应离子刻蚀法(RCE)对称刻蚀掉SiON补偿层中的一半；FHD法或PECVD法生长厚度为6μm芯层13，形成条状对称结构的光波导层14，折射率根据芯层与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；进行抛光处理；RCE法刻蚀MZI版图；FHD法或PECVD法不低于21μm的上包层15。整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏MZI制备完毕。通过该方法可实现对称结构的硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不灵敏。

Claims (4)

1、一种用于实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在硅衬底上用热氧化法、火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法形成二氧化硅下包层；
(2)用等离子增强化学气相沉积法生长可调整波导双折射系数的高折射率SiON补偿层；
(3)在波导中心用反应离子刻蚀法对称刻蚀掉其中一半；
(4)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长芯层，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；
(5)进行抛光处理；
(6)用反应离子刻蚀法刻蚀芯层，形成条状对称结构的光波导层；
(7)火焰水解法或等离子增强化学气相沉积法生长上包层，整个对称结构的硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。
2、根据权利要求1所述的实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，其特征在于，其中步骤(6)所述的对称结构的条状光波导层可以是直波导、弯曲波导或二者的组合。
3、根据权利要求1所述的实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，其特征在于，其中步骤(2)中的高折射率SiON补偿层生长在芯区的上方，以中心对称刻蚀掉其中一半，可实现整个对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
4、根据权利要求1所述的实现具有对称结构的硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法，其特征在于，其中步骤(2)中的高折射率SiON补偿层同时生长在芯区的上方和下方，以中心对称刻蚀掉其中一半，可实现整个对称结构的硅基二氧化硅应力光波导的偏振不灵敏。
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