CN1238740C - 光学模块及其制造方法 - Google Patents

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CN1238740C CNB031586481A CN03158648A CN1238740C CN 1238740 C CN1238740 C CN 1238740C CN B031586481 A CNB031586481 A CN B031586481A CN 03158648 A CN03158648 A CN 03158648A CN 1238740 C CN1238740 C CN 1238740C
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Abstract

一种光波导，包括：下包层、第一纤芯、第二纤芯、以及上包层。下包层具有整体上扁平的形状。第一纤芯具有四边形横截面，并且设置在下包层上。第二纤芯设置在第一纤芯的终端部分上。上包层设置在包括第一纤芯的终端部分、以及设置在第一纤芯的终端部分上的第二纤芯的区域中。下包层和设置在其上的第一纤芯构成第一光波导。下包层、设置在下包层上的第一纤芯的终端部分、设置在其上的第二纤芯、以及设置在第二纤芯上面和周围的上包层构成模场尺寸转换部分。下包层、设置在下包层上的第二纤芯、以及设置在第二纤芯上面和周围的上包层构成第二光波导。第一纤芯由硅制成。第一和第二纤芯的横截面形状有所不同。此外，还公开了该光学模块的制造方法。

Description

光学模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在光电子领域和光通信领域使用的光学模块，以及所述的光通信模块的制造方法。
背景技术
近来，为了缩小光电路(optical circuit)，已经对使用SOI(绝缘体上硅结构)衬底的硅线(silicon wire)光波导和光子晶体波导进行了各种研究和开发。按照各自的模场的尺寸(直径)，在这些光波导和光纤、光发射设备、光接收设备等之间的连接出现了问题。这些光波导具有在亚微级(submicron order)上的模场尺寸，而光纤等具有在几个微米级上的模场尺寸。因此，难以有效地在光波导和具有较大模场尺寸的通用光纤等之间建立直接连接。为了低损耗地对它们进行连接，必须转换模场尺寸。
出于这个目的，已经提出了各种各样的模场尺寸转换结构。例如，在其上形成由硅线形成的第一光波导的SOI衬底上，形成要与第一光波导连接的、由基于石英的材料或者聚合物制成的第二光波导，并且使用第二光波导和具有锥形的末端的第一光波导相互重叠，从而实现高效的模场尺寸转换(例如，在日本应用物理学会和相关学会的30a-YK-11扩展的第三提要(2001年的第48届春季会议)中由T.Shoji等人所写的《Optical Interconnecting Structure of SiWaveguide on SOI Substrate》)
图25A和25B显示具有模场尺寸(光点尺寸(spot size))的转换结构的传统的光波导。参考图25A和25B，参考符号10表示从硅线由成的第一光波导；11表示模场尺寸转换结构；12表示与第一光波导连接的第二光波导；13表示硅衬底；14表示由二氧化硅制成的、并且在硅衬底13上形成的下包层；16表示由硅制成的、并且在下包层14上形成的像电线一样的纤芯；17表示由硅制成的并且从纤芯16延伸过来的锥形部分；以及，18表示由聚合物制成的、并且设置在锥形部分17上的纤芯。将纤芯16、锥形部分17和纤芯18设置在硅衬底13和作为共同衬底的下包层14之上，从而通过模场尺寸转换结构11，将第一光波导10与第二光波导12连接。
当传播主要用于光通信的处于1.55μm波段的光时，构成第一光波导10的纤芯17的横截面的高度和宽度都大约为0.3μm。与第一光波导10连接的第二光波导12的纤芯18具有比下包层14高几个百分比的折射率。纤芯18的横截面的高度和宽度都约为几μm。参考符号16表示由硅制成的、并且具有锥形部分17的纤芯。该纤芯具有200μm的长度，并且锥形末端部分的宽度为0.06μm。由电子束平版印刷术和蚀刻来形成纤芯16和锥形部分17。由光刻法(photolithography)来形成由聚合体形成的纤芯18。
为了低损耗地将光纤与图25A和25B所示的传统光学模块进行连接，需要按照电线的形式与第一光波导进行连接的第二光波导的模场直径F接近于光纤的模场直径(9μm)。
然而，在图25A和25B所示的传统光学模块中，由于具有折射率1的空气作为上包层，因此，在空气和第二光波导12的纤芯18之间的折射率差较大。由于这个原因，满足单模条件的第二光波导12的纤芯尺寸不能够大于3μm见方。
此外，由于在由硅线制成的第一光波导10的纤芯16的周围不存在上包层，因此，光波导10的纤芯16易于损坏，从而导致传播损耗的增加。
在图25A和25B所示的光学模块中，为了改善模场尺寸转换效率，需要锥形末端的宽度为0.1μm或者更小，理想的情况下约为0.06μm。这样的微型构造要求诸如电子束平版印刷术的和蚀刻技术的高度尖端的平版印刷技术。因此，难以经济地对锥形部分进行处理。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提出一种可以在具有不同的模场尺寸的光波导之间实现高效的光传播的光学模块，以及该光学模块的制造方法。
除了该主要目的之外，本发明的另一目的是提出一种与现有技术相比，可以更多地降低连接损耗的光学模块，以及该光学模块的制造方法。
本发明还有的另一目的是提出一种与现有技术相比，可以按照更高的精度和更少的步骤数量来制造光学模块的光学模块的制造方法。
本发明还有的另一目的是提出一种具有更高的处理裕度的光学模块的制造方法。
本发明的还有的另一目的是提出一种可以制造光学模块，同时不损坏先前形成的部分的光学模块的制造方法。
为了实现上述的目的，依据本发明，提出了一种光学模块，该光学模块包括：绝缘体上硅结构衬底；在绝缘体上硅结构衬底上形成的整体上具有扁平形状的下包层；具有四边形横截面并且设置在所述的下包层上的第一纤芯；设置在所述的第一纤芯的末端部分上的第二纤芯；以及设置在包括所述的第一纤芯的末端部分和所述的第二纤芯的区域中的上包层，其中所述的第二纤芯设置在所述第一纤芯的末端部分，其中，所述的下包层和设置在其上的第一纤芯构成第一光波导，所述的下包层、设置在所述的下包层上的所述的第一纤芯的末端部分、设置在其上的所述的第二纤芯、以及设置在所述第二纤芯的上方和周围的所述上包层，构成模场尺寸转换部分，所述的下包层、设置在所述的下包层上的所述第二纤芯、以及设置所述的第二纤芯之上和周围的所述上包层，构成第二光波导，所述的第一纤芯由硅制成，所述的第一和第二纤芯的横截面形状不同，以及所述的第二纤芯由具有比所述的下包层的折射率高、并且比所述的第一纤芯和末端部分的硅的折射率低的折射率的材料制成。
附图说明
图1A和1B示出了依据本发明的光学模块的基本概念，其中，图1A是平面图，图1B是沿着图1A中的线1B-1B截取的横截面图；
图2A到2G是示出图1A和1B所示的光学模块的制造方法的步骤的视图；
图3A到3C示出依据本发明的第一实施例的光学模块，其中，图3A是平面图，图3B是沿着图3A中的线3B-3B截取的横截面图，以及，图3C是沿着图3A中的线3C-3C截取的横截面图；
图4A到4H是示出图3A到3C所示的第一实施例的光学模块的制造方法的步骤的视图；
图5是示出用于详细地解释图4A到4H所示的光学模块的制造方法的一部分的光学模块的实例的视图；
图6是示出用于详细地解释图4A到4H所示的光学模块的制造方法的一部分的光学模块的另一实例的视图；
图7A到7C示出依据本发明的第二实施例的光学模块，其中，图7A是平面图，图7B是沿着图7A中的线7B-7B截取的横截面图，图7C是沿着图7A中的线7C-7C截取的横截面图；
图8A到8G是示出图7A到7C所示的依据第二实施例的光学模块的制造方法的步骤的视图；
图9A到9C示出依据本发明的第三实施例的光学模块，其中，图9A是平面图，图9B是沿着图9A中的线9B-9B截取的横截面图；图9C是沿着图9A中的线9C-9C截取的横截面图；
图10A到10F是示出图9A到9C所示的依据第三实施例的光学模块的制造方法的步骤的视图；
图11是用于详细地解释图10A到10F所示的光学模块的制造方法的一部分的视图，更具体地说，在作为形成上包层的步骤的热氧化过程之前的光学模块的放大的横截面图；
图12是在作为图11的后续步骤的热氧化过程之后的光学模块的放大的横截面图；
图13是在作为图11的后续步骤的热氧化过程之后的另一光学模块的放大的横截面图；
图14A到14C示出依据本发明的第四实施例的光学模块，其中，图14A是平面图，图14B是沿着图14A中的线14B-14B截取的横截面图，以及，图14C是沿着图14A中的线14C-14C截取的横截面图；
图15A到15H是示出图14A到14C所示的依据第四实施例的光学模块的制造方法的步骤的视图；
图16是由硅制成的第一光波导的纤芯、以及与依据第四实施例的纤芯连续的模场尺寸转换部分的锥形部分的透视图；
图17是示出用于解释图15F所示的热氧化的状态的光学模块的放大的横截面图；
图18是示出依据本发明的第四实施例和现有技术，图案宽度和图案深宽比之间的关系的曲线图；
图19A和19B示出依据本发明的第五实施例的光学模块，其中，图19A是横截面图，以及，图19B是纵向的横截面图；
图20是在第五实施例中的截面的光强度分布；
图21A到21E示出依据本发明的第六实施例的光学模块，其中，图21A是平面图，图21B是沿着图21A中的线21B-21B截取的横截面图，图21C是沿着图21A的线21C-21C截取的横截面图，图21D是沿着图21A的线21D-21D截取的横截面图，以及图21E是沿着图21A中的线21E-21E截取的横截面图；
图22是示出依据本发明的第七实施例的光学模块的平面图；
图23A到23H是示出图21A到21E所示的依据第七实施例的光学模块的主要部分的制造方法的步骤的视图；
图24A到24C示出依据本发明的第八实施例，其中，图24A是平面图，图24B是沿着图24A中的线24B-24B截取的横截面图，以及，图24C是沿着图24A中的线24C-24C截取的横截面图；以及
图25A和25B示出传统的光学模块的实例，其中，图25A是平面图，图25B是横截面图。
具体实施方式
下面将参考附图将对本发明进行描述。注意，在图中的各个组成元件的尺寸和形状、以及它们的位置关系近似到本发明能够被理解的程度。此外，以下描述的每一个数字情况只是实例。
(本发明的基本概念)
图1A和1B示出依据本发明的具有模场尺寸转换部分的光学模块。参考图1A和1B，参考数字10表示第一光波导；11表示模场尺寸转换部分；12表示与第一光波导10连接的第二光波导；13表示硅衬底；14表示由在硅衬底上形成的二氧化硅膜形成的下包层；以及15表示由诸如聚合物的材料制成的上包层，所述的上包层是本发明的特征部分。参考数字16表示在下包层14上形成的电线形式的第一纤芯；17表示由硅制成的、并且充当第一纤芯16的末端部分的锥形部分；以及，18表示由聚合物制成的、并且至少部分地位于第一纤芯16的锥形部分17上的第二纤芯。第二纤芯18的主要部分、上包层15、以及下包层14构成第二光波导。按照使它的横截面积向着第一纤芯16的末端逐渐减小的方式来形成锥形部分17。
通过将硅衬底13和下包层14用作共同的衬底，形成第一光波导10和第二光波导12，并且通过模场尺寸转换部分11，将第一光波导和第二光波导相互进行光学地连接。
由下包层14、锥形部分17、设置在锥形部分上的第二纤芯18、以及设置在第二纤芯上面和周围的上包层15，构成模场尺寸转换部分。由下包层14、以及设置在下包层上面的第一纤芯16和上包层15，构成第一光波导10。第一光波导10不必须需要上包层15。
当传递主要用于光通信的处于1.55μm波段中的光时，第一光波导10的第一纤芯16的横截面的高度和宽度都约为0.3μm。第二光波导12的第二纤芯18具有比下包层14和上包层15中的任一个高几个百分比的折射率。第二纤芯18的横截面的高度和宽度都约为几μm。锥形部分17具有300μm的长度，并且锥形部分的宽度是0.06μm。第一光波导10、模场尺寸转换部分11、以及第二光波导12的共同的上包层15具有约等于或者高于下包层14的折射率的折射率。由电子束平版印刷术和蚀刻来形成第一纤芯16和锥形部分17。由光刻法和蚀刻来形成第二纤芯18。
下面将参考图2A到2G描述图1A和1B所示的光学模块的制造方法。
首先，准备由硅衬底13、由二氧化硅膜制成并且在硅衬底13上形成的整体上为扁平形状的下包层14、以及在下包层14上形成的硅层161构成的SOI衬底。由例如汽相沉积和溅射在硅层161上形成充当蚀刻掩模的二氧化硅膜162(图2A)。在这种情况下，下包层14具有3.0μm的厚度，硅层161具有0.2μm到0.5μm的厚度。
然后，在由电子束抗蚀剂覆盖二氧化硅膜162的上表面之后，通过电子束平版印刷术对抗蚀剂进行处理，以便形成用于形成二氧化硅图案的抗蚀剂掩模163(图2B)。通过处理二氧化硅膜162，使用抗蚀剂掩模163来形成蚀刻掩模。通过使用该掩模处理硅层161，形成第一光波导10的纤芯16、以及充当纤芯的终端部分的锥形部分17，其中，所述的纤芯具有四边形的横截面。在此形成过程之后，第一光波导的纤芯16、以及锥形部分17的平面形状与抗蚀剂掩模163的形状相同。
因此，通过使用抗蚀剂掩模163对二氧化硅膜162进行蚀刻，以便形成用于对第一纤芯16和锥形部分17进行蚀刻的掩模163。然后，通过用灰抛光(ashing)来清除抗蚀剂掩模163(图2C)。通过使用掩模164对硅层161进行蚀刻，以便形成像电线一样的第一光波导10的第一纤芯16和锥形部分17(图2D)。然后，通过湿法蚀刻来清除掩模164(图2E)。在这种情况下，如果掩模164较薄，由于该掩模没有影响，因此可以保留该掩模，而不必进行清除。
通过诸如化学汽相沉积或者旋涂，在其上形成第一纤芯16和锥形部分17的SOI衬底上，将比下包层14大约高2％的折射率的二氧化硅或者基于聚合物的材料沉积到大约3.5μm。由光刻法和蚀刻对基于聚合物的材料进行处理，以便形成模场尺寸转换部分11和光波导12的纤芯(图2F)。
最后，在其上形成了第一纤芯16、锥形部分17、以及第二纤芯18的SOI衬底上，将具有与下包层14相同的折射率的二氧化硅膜或者基于聚合物的材料沉积到大约6μm或者更多，从而形成上包层15(图2G)。按照这种方式，完成了图1A和1B所示的光学模块。在这种情况下，将具有比下包层和上包层高2％的折射率的聚合物用于第二光波导的纤芯。如果使用表现出较小折射率差别的聚合物，则还可以增加第二光波导的纤芯尺寸。
在这种情况下，由于在第一光波导的第一纤芯和第二光波导的第二纤芯上，形成由具有与下包层的折射率近似的折射率的聚合物制成的上包层，因此，可以防止纤芯受到损坏。此外，由于通过上包层的折射率调整在第二光波导中对光的限制，因此，还可以增加第二光波导的第二纤芯的尺寸。这可以在较长的时间周期，稳定地使用该光学模块的光波导，并且还降低了相对于光纤的连接损耗。
(第一实施例)
图3A到3C示出依据本发明的第一实施例的光学模块。参考图3A到3C，参考数字20表示由硅制成的像电线一样的第一光波导；21表示模场尺寸转换部分；22表示与第一光波导20连接的第二光波导；23表示硅衬底；24表示由二氧化硅膜形成的、并且设置在硅衬底23之上的下包层；25表示由聚合物制成的上包层；26表示由硅制成的、并且形成第一光波导20的第一纤芯；27表示由与第一纤芯26相同的硅制成的锥形部分，其中，按照其宽度尺寸向着它的末端减小，而纤芯26的横截面的高度(厚度)保持不变的方式来形成所述的锥形部分；28表示由聚合物制成的、并且作为模场尺寸转换部分21和第二光波导22的纤芯的第二纤芯；以及，30表示二氧化硅膜。
锥形部分27由第二纤芯28和在锥形部分27的表面上形成的二氧化硅膜30一起覆盖，而将锥形部分28从它的端面插入到第二纤芯28。沿着第一光波导的第一纤芯26设置的锥形部分27通过二氧化硅膜30与第二纤芯28接触的部分对应于模场尺寸转换部分21。在这种情况下，锥形部分27通过二氧化硅膜30与第二纤芯28进行光学连接。优选的是，对锥形部分27和第二纤芯28进行定位，从而使锥形部分和第二纤芯的轴相互一致。然而，只要锥形部分27包括在第二纤芯28的宽度内，则锥形部分和第二纤芯不必相互精确地对齐。在这种情况下，如果将第二部分28安装在锥形部分27的一部分之上，就足够了。
接下来将描述图3A到3C所示的光学模块的光的传播状态。从图3A和3B所示的硅线光波导20的左端面入射的光通过纤芯26传播，并且到达锥形部分27的左端面位置。当在图3A中，光通过锥形部分27向右传播时，纤芯宽度逐渐减小，并且光的限制减弱。结果，模场的尺寸按照圆周方向尽量地增加。然而，此时，由于其折射率比下包层24高的第二纤芯28存在于锥形部分27的相邻位置，光功率分布从第一光学波导20的第一纤芯26逐渐地转移到第二光波导22的第二纤芯28。
与以上的情况相反，当光从图3A和3B所示的第二纤芯28的右端部分入射时，随着光从右边传播到左边时，光分布通过第二纤芯28和锥形部分27移动到第一光波导20的第一纤芯26。由于通过锥形部分绝热地实现该移动，因此效率非常高。
按照这种方式通过锥形部分27，将第一光波导20的第一纤芯26与第二光波导22的第二纤芯28连接可以实现高效的模场尺寸转换。
下面将参考图4A到4H描述图3A到3C所示的光学模块的制造方法。
首先，准备由硅衬底23、由二氧化硅膜制成的并且在硅传递23上形成的整体上为扁平形状的下包层24、以及在下包层24上形成的硅层31构成的SOI衬底。通过诸如化学汽相沉积或者溅射在硅层31上形成充当蚀刻掩模的二氧化硅膜32(图4A)。在这种情况下，下包层24具有3.0μm的厚度，硅层31具有0.2μm到0.5μm的厚度。
然后，在使用电子束抗蚀剂覆盖二氧化硅膜32的上表面之后，由电子束平版印刷术对抗蚀剂进行处理，以便形成用于形成二氧化硅膜图案的抗蚀剂掩模33(图4B)。通过处理二氧化硅膜32，使用抗蚀剂掩模33形成蚀刻掩模。通过使用该掩模对硅层31进行处理，以便形成第一光波导20的纤芯、以及充当纤芯的终端部分的锥形部分27，其中，所述的第一光波导的纤芯具有四边形的横截面。在该形成过程之后，第一光波导的纤芯26和锥形部分27的平面形状与抗蚀剂掩模33的形状相同。
在形成第一纤芯26和锥形部分27之后，其中，第一纤芯26和锥形部分27中的每一个具有四边形的形状，硅层的宽度在氧化过程中减小(稍后将进行描述)。因此，如图5所示，必须将第一纤芯26和锥形部分27的宽度(即抗蚀剂掩模33的宽度)设置得比氧化后的最终制造目标值大由氧化造成的宽度减小量。
假定纤芯26和锥形部分27的末端部分的宽度的最终制造目标值分别为0.3μm和0.06μm，并且由氧化造成的硅层厚度的降低为0.05μm。在这种情况下，形成抗蚀剂掩模33，以使得在氧化前，第一光波导20的纤芯26和锥形部分27的末端部分分别具有0.4μm和0.16μm。如图5所示，形成的锥形部分27的末端部分具有梯形形状。
由于与宽度方向一样，第一纤芯26和锥形部分27的厚度会由于氧化而减小，因此，必须将硅层31的厚度预先增加与由于氧化造成的厚度减小对应的量。例如，如果第一纤芯26a和锥形部分27的厚度的最终制造目标值为0.3μm，则可以将硅层31的厚度设置为0.35μm。
这样，通过使用抗蚀剂掩模33对二氧化硅膜32进行蚀刻来形成用于对第一纤芯26和锥形部分27进行蚀刻的掩模29。然后，通过用灰抛光清除抗蚀剂掩模33(图4C)。通过使用掩模29对硅层31进行蚀刻，以便形成像电线一样的第一光波导20的第一纤芯26和锥形部分27(图4D)。然后，通过湿法蚀刻清除掩模29(图4E)。
在氧气环境中，以900℃对在其上形成第一光波导20的第一纤芯和锥形部分27的整个SOI衬底进行加热，以使第一纤芯26和锥形部分27氧化，从而形成二氧化硅膜30(图4F)。此时，对硅进行氧化，并且将其改变为二氧化硅膜30，因而第一纤芯26和锥形部分27的宽度和厚度随着氧化时间减小。如图5所示，如果预先形成的锥形部分27从第一纤芯26逐渐变细到它的末端部分，则氧化后的形状也变为锥形。
通过诸如化学汽相沉积或者旋涂，在其上形成第一纤芯、锥形部分、以及二氧化硅膜30的SOI衬底上，将具有比下包层24高大约1％的折射率的基于聚合物的材料沉积到大约7.0μm。然后，通过光刻法和蚀刻对该基于聚合物的材料进行处理，以便形成模场尺寸转换部分21和第二光波导22的纤心28(图4G)。
最后，在其上形成第一纤芯26、锥形部分27、二氧化硅膜30、以及第二纤芯28的SOI衬底上，将具有与下包层34相同的折射率的基于聚合物的材料沉积到1.5μm或者更大，从而形成上包层25(图4H)。按照这种方式，完成图3A到3B所示的光学模块。在本实施例中，将具有比下包层和上包层高大约1％的折射率的聚合物用于第二光波导的纤芯。如果使用表现出较小折射率差别的聚合物，则第二光波导的纤芯尺寸还可以增加。
在本实施例中，由于在第一光波导的第一纤芯和第二光波导的第二纤芯上形成具有与下包层的折射率相近的折射率的聚合物制成的上包层，因此，可以防止纤芯受到损坏。此外，由于可以通过上包层的折射率来调整在第二光波导中对光的限制，因此，第二光波导的第二纤芯在尺寸上还可以增加。这可以在较长的时间周期内稳定地使用该光学模块的光波导，并且还降低了相对于光纤的连接损耗。
依据以上描述的第一实施例，氧化使由硅制成的锥形部分27变细。因此，即使锥形部分27的末端部分的初始宽度为0.1μm或者更大，依据氧化量的设置和末端部分的初始宽度，可以最终将末端部分的宽度减小到0.06μm或者更低。因此，依据本实施例的方法，可以在平版印刷术的分辨率限制之上，形成具有0.1μm或者更小的分辨率的图案。此外，将二氧化硅膜30固定到由硅制成的锥形部分27的两侧。这可以防止锥形部分27断裂，而与纤芯27的末端部分的硅宽度减小量的程度无关。
在第一实施例中，将锥形部分27的末端部分的宽度设置到约为0.06μm。然而，如图5所示，通过设置D≥L/2，也就是说，使由氧化造成的硅层厚度的减小量D等于或者大于氧化前锥形部分的末端部分的宽度L的1/2，可以实现具有0μm的宽度的末端部分的由硅制成的锥形部分27，理论上，在末端部分的宽度为0μm的情况下转换效率最高，在该不等式中，L是氧化前的锥形部分的末端部分的宽度，D是由氧化造成的硅层厚度的减小量。
在该实施例中，虽然使用加热氧化过程来形成二氧化硅膜，但是也可以使用另外的氧化方法。
(第二实施例)
图7A到7C示出依据本发明的第二实施例的光学模块。在图7A到7C中，与图3A到3C相同的参考数字表示相同的部件。本实施例的特征在于：只在与锥形部分27的侧表面的相邻处形成二氧化硅膜30。这使锥形部分27高精度地成形。
下面将参考图8A到8G来描述图7A到7C所示的光学模块的制造方法。
在图8A到8D中的步骤与在第一实施例中的图4A到4D中的步骤相同。在第一实施例中，通过使用掩模29对硅层31进行蚀刻，形成第一光波导20的第一纤芯26、以及与纤芯26连续的锥形部分27，并且在清除掩模29之后，执行氧化过程。在本实施例中，执行与第一实施例中的过程相似的氧化过程，但不清除掩模29。使用该过程，第一纤芯26和锥形部分27具有四边形的横截面，并且只是它们的侧面受到氧化，从而它们的上表面没有氧化。结果，只在第一纤芯26和锥形部分27的侧面形成二氧化硅膜30(图8E)。
在图8F和8G中的步骤与第一实施例中的图4G和4H中的步骤相同。
如上所描述，通过只对第一光波导的第一纤芯26和锥形部分27的侧表面进行氧化，而不清除掩模29，可以便于成形过程的控制。
在第一和第二实施例中，锥形部分27与设置在其上的第二纤芯28通过二氧化硅膜30相互接触。然而，由于二氧化硅膜30相对于用于通信的光的波长(例如1.55μm)足够薄，因此，二氧化硅膜30对第一纤芯26和第二纤芯28之间的光连接不存在影响。
如上所述，依据图2A到8G所示的本发明的第一和第二实施例，由于对第一光波导的第一纤芯和整体地与第一纤芯的端部(end portion)连接的锥形部分进行氧化，因此，通过不具有0.1μm或者更低分辨率的平版印刷术过程可以对具有大约0.06μm或者更小宽度尺寸的锥形部分的末端的硅纤芯进行精确地并且经济地处理。
此外，依据这些实施例，由于使用具有与下包层的折射率相近的折射率的上包层覆盖第一光波导、光点尺寸转换部分、以及第二光波导，因此，可以增加连接波导的纤芯尺寸。这可以降低相对于光纤的连接损耗。由于可以防止硅线波导纤芯受到损坏，因此，可以在较长的时间期间内稳定地使用光波导。
通过将由氧化造成的硅层的厚度的减小量设置为氧化前锥形部分末端的宽度尺寸的1/2或者更大，可以实现具有0μm的宽度尺寸的末端的锥形部分，在这种情况下，转换效率理论上变得最高。
由于只对第一纤芯和锥形部分的侧表面进行氧化，因此，可以只考虑由氧化造成的厚度的减小量和氧化前的锥形部分的宽度尺寸来实现氧化。这可以便于成形控制。
(第三实施例)
本实施例是对图4A到4H所示的光学模块的制造方法的改进，并且只举例说明了该方法的一部分，其中，特别地，在下包层上形成充当第一纤芯的硅层之后，形成二氧化硅膜覆盖第一纤芯。与传统的方法相比，使用该实施例可以在较短的制造时间周期内制造光学模块。
参考图9A到9C，参考符号111表示硅衬底；112表示由二氧化硅膜(SiO2)形成的下包层；以及，113表示同时充当在以上描述的第一实施例中的第一光波导的第一纤芯和锥形部分的纤芯。纤芯113由硅制成，并且形成细电线的图案。参考数字114表示为了覆盖纤芯113而设置的二氧化硅膜。在这种情况下，纤芯113的宽度和厚度相互不同，并且落在0.2μm到0.5μm内，或者彼此相等，并且落在0.2μm到0.5μm之内。
下面将参考图10A到10F描述具有图9A到9C所示的结构的光学模块的制造方法。
参考图10A到10F，首先，准备由硅衬底111、由二氧化硅制成并且在硅衬底111上形成的整体上为扁平形状的下包层112、以及在下包层112上形成的硅层121构成的SOI衬底(图10A)。如从以上实施例中显而易见，硅层121是第一光波导的纤芯，并且被处理为模场尺寸转换部分的终端部分(terminal end portion)。
如图10B所示，使用抗蚀剂122覆盖SOI衬底的硅层121的表面，并且通过使用诸如电子束平版印刷术或者光刻法的平版印刷术，将期望的图案形状印刷到抗蚀剂122上。然后，对图案形状进行显影(develop)，以便获得具有期望的形状的抗蚀剂图案123(图10C)。
然后，通过作为掩模的抗蚀剂图案123对硅层121进行蚀刻。如图10D所示，在中途停止该蚀刻过程，而不完全地对硅层121进行蚀刻。在其上设置了抗蚀剂图案123、并且保留了该抗蚀剂图案而未对其进行蚀刻的硅层的两侧，留下了比所述的硅层薄的硅层。
注意：如果在抗蚀剂图案123和硅层之间不能够获得足够的选择性，则可以使用用于对硅层121进行蚀刻的蚀刻掩模。在这种情况下，将蚀刻掩模层沉积在硅层121上，并且使用抗蚀剂122覆盖蚀刻掩模层的上表面。对抗蚀剂122进行处理，以便形成抗蚀剂图案123。然后，通过使用抗蚀剂图案123对蚀刻掩模层进行蚀刻，以便形成蚀刻掩模。通过使用该蚀刻掩模，可以对硅层121进行蚀刻。
如图10D所示，在对硅层12进行蚀刻之后，清除抗蚀剂图案123(或者蚀刻掩模)(图10E)。在高温热氧化炉中对图10E所示的整个SOI衬底进行加热，以便对硅层121进行氧化。结果，对硅层121的上表面和侧壁部分进行氧化，以便形成由二氧化硅膜形成的上包层114，并且在上包层114内保留的硅层121变为硅线光波导的纤芯113(图10F)。按照这种方式，完成了如同图9A到9C所示的光学模块。
从以下描述中显而易见，由于热氧化过程可以减小硅层的宽度和厚度。因此，考虑由氧化造成的宽度和厚度的减小，必须将抗蚀剂图案123(蚀刻掩模)的宽度设置得等于要被形成的像电线一样的纤芯113的宽度，并且还必须将蚀刻前的硅层121的厚度设置得大于要被形成的纤芯113的厚度。
图11是图10E中的主要部分的放大图。图12是在T1＜T3/2的情况下，图10F中的主要部分的放大图。参考图11，参考数字121a表示硅层121的第一区域，其中，在氧化后，该区域的硅层变为第一光波导的第一纤芯113、以及设置在纤芯上以便覆盖纤芯113的二氧化硅膜114；以及，121b表示第二区域，其中，第二区域的硅层在氧化后变为除了第一纤芯113之外位于下包层112上的二氧化硅膜114。参考符号W1表示第一区域121a的宽度；T1表示第二区域121b的厚度；以及，T2表示由从第一区域121a的厚度(硅层121的初始厚度)中减去第二区域121b的厚度T2所获得的值，即蚀刻深度。
参考图12，参考符号114a表示二氧化硅膜114的一部分，其在氧化前是硅层121；以及114b表示由伴随氧化的膨胀形成的部分。参考符号W2表示第一光波导的第一纤芯113的宽度；T3表示第一纤芯113的厚度；T4表示二氧化硅膜114的厚度；以及，T5表示二氧化硅膜114a和114b的厚度。
当通过热氧化将第二区域121b的所有的硅转化为二氧化硅膜时，形成其厚度T4是被氧化的硅膜的厚度T5(等于T1)的两倍的上包层114。即，由于从图案下方的氧化小得可以忽略，因此，硅膜的厚度的变化等于从图案上方由氧化造成的硅膜的氧化量。该氧化量对应于上包层114的厚度的1/2。
将在第一区域121a的两侧上都具有厚度T5的硅膜转化为二氧化硅膜，并且将图案的边缘移动到内侧。使第一区域121a以对应子二氧化硅膜114的厚度T4的量变窄。由于这个原因，则将氧化前第一区域121a的宽度W1(抗蚀剂图案123的宽度)设置为W2+2×T5＝W2+T4。
针对硅层121的厚度方向，将具有厚度T5的硅膜转化为二氧化硅膜，因此，必须将氧化前第一区域121a的厚度T2+T1(硅层121的初始厚度)预先设置为T3+T5。从图12中显而易见，T2＝T3。
可以对第一区域121b中留下的硅膜的厚度T1(等于T5)进行设置，以便获得具有期望厚度的二氧化硅膜114。然而，最好将厚度T1设置为第一光波导的第一纤芯113的厚度T3的1/2或者更大，以便进行最终的制造。进行这样的尺寸设置可以获得具有足够厚度的二氧化硅膜114。因此，即使对二氧化硅膜114进行抛光以便将电子设备与本实施例的光学模块进行接合，也决不会使纤芯113暴露。
图13示出在T3＝2×T1的情况下的光学模块的纤芯、二氧化硅膜、以及包层。例如，当最终要制造其宽度和厚度都为300nm的第一光波导的纤芯113时，在具有600nm的宽度的第一区域121a中留下具有厚度450nm的硅层121，并且将该硅层蚀刻到300nm的深度。此时，在第二区域121b中只保留具有150nm厚度的硅层。然后，形成氧化膜。
当将二氧化硅膜114氧化为具有300nm厚度时，在第二区域121b中的整个硅层厚度转化为二氧化硅膜。在第一区域121a中，硅层的厚度减小了150nm，即从450nm减小到300nm，并且在每一侧，硅层的宽度减小了150nm，即从600nm减小到300nm。结果，形成了其宽度和厚度都为300nm的硅线光波导纤芯113。如果在第二区域121b留下了具有第一纤芯113的厚度的1/2或者更大的厚度的硅层，则可以形成具有等于或者大于纤芯113的厚度的厚度的上包层114。
如上所述，在图9A到13所示的实施例中，在中途停止对硅层121的蚀刻，以便留下在第一区域121a的周围留下具有预定厚度T1(等于T5)的硅层，其中所述的第一区域用作第一纤芯113。然后，执行热氧化，以便将具有厚度T1的硅层整个地转化为二氧化硅膜，从而形成具有期望尺寸的第一纤芯113。同时，可以使用厚到足以充当二氧化硅膜114的二氧化硅膜覆盖纤芯113，其中二氧化硅膜114成为上包层或者它的一部分。二氧化硅膜具有低于硅的折射率的折射率，并且通过使用硅和二氧化硅膜之间的折射率的差别，可以将光限制在硅部分。即，二氧化硅膜可以用作硅波导或者光学功能元件。结果，不需要在不同的步骤形成二氧化硅膜114，即可以在热氧化步骤的氧化过程的同时形成二氧化硅膜114的一部分。此外，通过氧化可以降低纤芯113的侧壁部分的粗糙度。
在图9A到13所示的该实施例中，由于与没有氧化的传统情况下形成的硅图案相比，可以形成更宽的在氧化前的硅图案(第一区域121a)，因此，在氧化前的硅图案的深宽比(更宽比＝b/a，其中，a是硅图案的宽度，并且b是硅图案的厚度)降低。这可以增加图案形成的裕度。
例如，当最终要形成具有宽度60nm和厚度300nm的纤芯113时，没有任何氧化步骤的深宽比为300/60＝5。相反，在本实施例中，如果二氧化硅114的厚度为T4＝300nm，则氧化前的第一区域121a的宽度为W2+T4＝60+300＝360nm，并且蚀刻深度为T2＝T3＝300nm。因此，深宽比为300/360＝0.83。结果，在制造光学模块时，通过使用便宜的平版印刷术系统，按照增加的制造裕度来形成图案。
依据图9A到13所示的本发明的第三实施例，在通过对硅层进行蚀刻形成纤芯时，对硅层进行氧化，从而按照预定的厚度保留要通过蚀刻来清除的纤芯周围的硅层，并且将要通过蚀刻清除的硅层转化为二氧化硅膜。这可以同时地形成由硅制成的纤芯、以及设置在纤芯周围的二氧化硅膜。结果，不需要在形成纤芯之后单独地形成二氧化硅膜，从而与现有技术相比，缩短了制造过程。此外，氧化可以降低纤芯的侧壁部分的粗糙度。此外，与现有技术相比，在氧化前的硅图案的深宽比降低，因而可以增加图案形成的裕度。因此，在制造光学模块时，通过使用便宜的平版印刷术设备，可以以增加的制造裕度来形成图案。
另外，由于以1/2或者更大的厚度保留要被清除的硅层，因此，可以形成具有足够厚度的二氧化硅膜。因此，即使对二氧化硅膜进行抛光，以便将电子设备接合在光学模块上，也不存在使纤芯暴露的可能性。
在上述第三实施例中形成的二氧化硅膜也可以用作覆盖第一光波导的第一纤芯的上包层。
(第四实施例)
图14A到14C示出本发明的另一实施例，其中，当将锥形部分用作终端部分时，特别地，只在锥形部分的侧表面或者侧壁上设置二氧化硅膜。参考图14A到14C，参考数字201表示由硅线形成的第一光波导；202表示模场尺寸转换部分；203表示与光波导201连接的第二光波导；211表示硅衬底；212表示由二氧化硅膜制成并且在硅衬底上形成的下包层；213表示由氧化形成的二氧化硅膜；以及，214表示在下包层上选择性地形成的具有四边形横截面的第一纤芯。纤芯214由硅制成，它具有像电线一样的形状，并且是第一光波导201的元件。参考符号215表示由硅制成并且在第一纤芯214的端部形成的锥形部分(光波导201的终端部分)，并且横截面的宽度向着末端(连接波导侧)逐渐减小，而纤芯214的横截面的高度(厚度)保持不变；216表示与模场尺寸转换部分202和第一光波导201连接的第二光波导203的第二纤芯；217表示由二氧化硅膜形成的上包层，其被设置用来覆盖上述的下包层212、第一纤芯214、锥形部分215、以及第二纤芯216。在光波导201中，第一纤芯214的宽度和厚度彼此不同，并且落在0.2μm到0.5μm之内，或者彼此相等，并且落在0.2μm到0.5μm之内。
由在它的侧表面上形成的二氧化硅膜213和纤芯216覆盖在下包层212上形成的锥形部分215。由纤芯216覆盖的锥形部分215的部分充当模场尺寸转换部分202，其中，锥形部分215和第二纤芯216相互进行光学连接。优选的是，对锥形部分215和纤芯216进行定位，从而使它们的轴相互一致。然而，只要将锥形部分215包括在第二纤芯216的宽度内，锥形部分215和第二纤芯216不需要精确地对齐。
下面将描述在图14A到14C中所示的光学模块的光传播状态。
从图14A和14B所示的第一光波导201的第一纤芯214的左端面入射的光通过纤芯214传播，并且到达模场尺寸转换部分202的锥形部分215的左端部分。随着在图14A，光通过锥形部分215传播到右边，纤芯宽度逐渐减小，并且光的限制减弱。结果，模场尺寸按照圆周方向尽量地增加。然而，此时，由于在锥形部分215的相邻处，存在具有比下包层212高的折射率的第二纤芯216，因此，光功率分布逐渐从第一光波导201的第一纤芯214逐渐转移到第二光波导203的第二纤芯216。
与以上的情况相反，当光从图14A和14B所示的第二光波导203的第二纤芯216的右端部分入射时，随着光从右边传播到左边，光分布通过第二纤芯216和锥形部分215转移到第一光波导201的第一纤芯214。如上所述，通过经由锥形部分215，按照这种方式将第一光波导201的第一纤芯214与第二光波导203的第二纤芯216连接，可以高效地对模场尺寸(直径)进行转换。
下面将参考图15A到15H描述图14A到14C所示的光学模块的制造方法。参考图15A到15H，准备SOI衬底，所述的SOI衬底由硅衬底211、在硅衬底211上形成的扁平的下包层212、以及在下包层212上形成的硅层221构成(图15A)。
通过ECR-CVD(电回旋共振-化学汽相沉积)方法或者LPCVD(低压化学汽相沉积方法)，在SOI衬底的硅层221的表面上沉积氮化硅膜222(图15B)。氮化硅膜222的上表面由抗蚀剂来覆盖，并且通过使用诸如电子束平版印刷术或者光刻法的已知平版印刷术，将期望的图案形状印刷到抗蚀剂上。然后，通过对图案进行显影，可以获得具有期望的形状的抗蚀剂图案223(图15C)。
通过使用作为掩模的抗蚀剂图案223对氮化硅膜222进行蚀刻(图15D)。例如，如果通过使用g线(g-line)的光致抗蚀剂作为蚀刻掩模、并且使用CF4/O2作为蚀刻气体对氮化硅膜222进行蚀刻，则可以获得足够的选择性。即使使用另一种气体，也不会产生任何问题。
注意，如果在抗蚀剂图案223和氮化硅层222之间不能够获得足够的选择性，则可以使用用于对氮化硅膜222进行蚀刻的蚀刻掩模。在这种情况下，将蚀刻掩模层沉积在氮化硅膜222的上面，并且由抗蚀剂来覆盖蚀刻掩模层的上表面。对该抗蚀剂进行处理，以便获得抗蚀剂图案223。然后，通过使用作为掩模的抗蚀剂图案223对蚀刻掩模层进行蚀刻，以便形成蚀刻蚀刻掩模。通过使用该蚀刻掩模对氮化硅膜222进行蚀刻。
然后，通过使用作为蚀刻掩模的氮化硅膜222对硅层221进行蚀刻，以便形成第一光波导201的第一纤芯214、以及模场尺寸转换部分202的锥形部分215(图15E)。在对硅层进行蚀刻之前，可以清除抗蚀剂图案223。可选择的是，可以对硅层221进行蚀刻，而不清除抗蚀剂图案223。如果对硅层221进行蚀刻而不清除抗蚀剂图案223，则在对硅层221进行蚀刻之后，必须清除抗蚀剂图案223。图16示出在完成图15E中的蚀刻步骤之后，第一光波导201的第一纤芯214、以及模场尺寸转换部分202的锥形部分215。注意在图16中省略了氮化硅膜222的图示。
在高温热氧化炉对在其上形成第一光波导201的第一纤芯214和模场尺寸转换部分202的锥形部分215的整个SOI衬底进行加热，以便使第一纤芯214和锥形部分215氧化。此时，氮化硅膜222存在于第一纤芯214和锥形部分215的上表面，并且在它们的侧表面上不存在氮化硅膜222。因此，由选择地只对纤芯214和锥形部分215的侧壁部分进行氧化，以便在侧壁部分形成二氧化硅膜213(图15F)。
如从以上的描述中显而易见，通过对氮化硅膜222进行处理，使用抗蚀剂图案223形成蚀刻掩模，并且通过使用已处理的氮化硅膜222对硅层221进行蚀刻，以便形成第一纤芯214、以及与第一纤芯214连续的锥形部分215。因此，纤芯214和锥形部分215的平面形状与抗蚀剂图案223的形状几乎相同(由于在蚀刻步骤中的宽度的变化，因此，不是非常精确地相同)。
在形成第一纤芯214和锥形部分215之后，在图15F中的热氧化步骤中，硅层的宽度减小。由于这个原因，考虑到由于氧化造成的量的减小，因此，必须预先将第一纤芯214和锥形部分215的宽度(即抗蚀剂图案223的宽度)设置为较大的宽度。
图17示出图15F的放大图。参考图17，参考符号213a表示二氧化硅膜213的一部分，其在氧化前曾经是硅层；以及，213b表示由于氧化伴随的膨胀形成的部分。参考符号W1表示在氧化后的第一光波导201的第一纤芯214的宽度；T1表示氧化后的第一纤芯214的厚度；T2表示二氧化硅膜213的厚度；以及，T3表示二氧化硅膜213a和213b的厚度。
在热氧化步骤中，二氧化硅膜213具有大约为被氧化的硅层的厚度T3的两倍的厚度T2。即，将位于图案的两侧、都具有厚度T3的硅层转换为二氧化硅膜213，因此，将硅层整个地氧化到与二氧化硅膜213的厚度T2对应的程度。因此，例如，如果在热氧化步骤中形成具有T2＝100nm的二氧化硅膜213，并且形成具有W1＝300nm的第一纤芯214，则必须将在热氧化步骤前第一纤芯的厚度214设置为400nm。显然，必须考虑蚀刻步骤中的宽度变化来对抗蚀剂图案223的尺寸进行设置。
同时，由于氧化，锥形部分215的硅层在宽度上也会减小。因此，显然，如果在氧化前对锥形部分215进行处理，以使其从第一波导214向着末端逐渐变窄，则氧化后的锥形部分215具有锥形形状。
在热氧化步骤结束之后，通过诸如蚀刻的技术清除氮化硅膜222(图14G)。例如，在其上通过化学汽相沉积、旋涂等形成第一纤芯214、锥形部分215、以及二氧化硅膜213的SOI衬底上，沉积具有比硅的折射率低、并且比下包层212的折射率高的折射率的基于聚合物的材料。然后通过光刻法和蚀刻对基于聚合物的材料进行处理，以便形成具有比纤芯214大的横截面的纤芯216。
然后，在其上形成了第一光波导201的第一纤芯214、锥形部分215、二氧化硅膜213、以及纤芯216的SOI衬底上，沉积具有等于下包层212的折射率的二氧化硅膜或者基于聚合物的材料，从而形成上包层217(图15H)。通过这种方式，完成了图14A到14C所示的光学模块。
注意，如果将氮化硅膜222设计为光器件的一部分，则不需要清除氮化硅膜222。
如上所述，在图14A到17所示的第四实施例中，在将对硅层221进行蚀刻前沉积的氮化硅膜222用作硅蚀刻时的硬掩模(hard mask)之后，执行热氧化，而不清除氮化硅膜222。由于氮化硅是抗氧化的材料，即表现出抗氧化效果的材料，因此，不对覆盖有氮化硅膜222的硅层221的上表面进行氧化，并且只对没有覆盖氮化硅膜222的硅层221的侧壁部分进行氧化。结果，不需要考虑氧化量来预先增加硅层221的厚度。
此外，在第四实施例中，由于与现有技术形成的硅图案相比，形成的氧化前的硅图案可以更宽，因此，在氧化前的硅图案的深宽比(深宽比＝b/a，其中a是硅图案的宽度，并且b是硅图案的厚度)降低，这可以增加图案形成的裕度。图18示出在传统的光学平面电路型光器件和本发明的光学模块中，图案宽度和所需要的图案深宽比之间的关系。在图18所示的情况下，将氧化后的硅图案的厚度设置为300nm，并且将由于氧化形成的二氧化硅膜的厚度设置为100nm。
如从图18显而易见，本实施例可以形成具有比现有技术的深宽比更低的深宽比的图案。结果，增加了由于制造光学模块的裕度，并且通过使用便宜的平版印刷术系统可以形成图案。
注意：由于二氧化硅膜213相对于在通信中使用的光波长(例如1.55μm)足够薄，因此，二氧化硅膜213对第一光波导201的第一纤芯214和第二光波导203的第二纤芯216几乎不存在影响。然而，二氧化硅膜213的折射率最好高于下包层212的折射率。这是由于：如果二氧化硅膜213具有更高的折射率，则它可以成为第二纤芯或者第二纤芯的一部分。例如，为了增加二氧化硅膜213的折射率，可以在形成第二纤芯216之前，将锗离子等注入到二氧化硅膜213。这可以在比硅的折射率更小的范围内增加二氧化硅膜213的折射率，从而进一步确保第一光波导的第一纤芯214和第二光波导的第二纤芯216之间的光学连接。
在第四实施例中，将氮化硅用作抗氧化膜。然而，可以使用不形成任何氧化的诸如Ta(钽)或者W(钨)的难熔金属、或者具有低氧化挥发性的金属作为抗氧化膜。如果用作氧化膜的金属的熔点高于在光学模块的制造过程中使用的温度，就应该足够了。优选的是，熔点最好为1200温度或者更高。此外，可以使用诸如碳化硅的另一基于硅的材料作为抗氧化膜。
依据图14A到18所示的第四实施例，首先，在充当纤芯的硅层的区域的上表面上形成抗氧化膜，然后对纤芯进行氧化，从而防止纤芯的上表面被氧化。这可以有选择地只对纤芯的侧壁部分进行氧化，并且使侧壁部分平整。结果，不需要以对应于氧化量的量，预先形成更厚的硅层。因此，不需要使用具有比最终形成的纤芯更厚的上硅层的SOI衬底。这便于对衬底进行管理。此外，由于可以降低在氧化前的硅图案的深宽比，因此，可以增加图案形成的裕度。结果，在制造光学模块时，可以通过使用便宜的平版印刷术系统，以增加的制造裕度来形成图案。
此外，首先在充当锥形部分的硅层的区域的上表面上形成抗氧化膜，然后对锥形部分进行氧化，从而防止锥形部分的上表面被氧化。这可以有选择地只对锥形部分的侧壁部分进行氧化，并且使侧壁部分平整。结果，不需要以对应于氧化量的量，预先将硅层形成得更厚。这便于对衬底进行管理。此外，由于图案形成的裕度增加，因此，可以通过便宜的平版印刷术系统，以增加的制造裕度来形成图案。
此外，通过在比硅的折射率更小的范围内增加在氧化步骤中形成的二氧化硅膜的折射率，可以确保在第一光波导和第二光波导之间的光学连接，其中，第二光波导具有比第一光波导更大的模场。
(第五实施例)
该实施例是对图4A到4H所示的光学模块的制造方法的改进，并且只举例说明了该方法的一部分，其中，特别地，在下包层上形成充当第一纤芯的硅层之后，形成覆盖该硅层的第二纤芯和上包层。
图19A和19B显示了本发明的另一实施例。参考图19A和19B，参考数字320表示硅衬底；321表示有二氧化硅膜形成的、并且在整体上扁平的下包层；322表示具有大致四边形的横截面的第二光波导的第二纤芯，该纤芯由诸如环氧树脂或者聚酰亚胺的聚合物制成；以及，323表示由环氧树脂、聚酰亚胺等制成的聚合物膜。参考符号W1表示第二纤芯322的宽度；以及，W2表示第二纤芯322的厚度。下包层321具有3μm的厚度。硅衬底320和下包层321是SOI衬底的部分。
在第五实施例中，第二纤芯322、下包层321、以及上包层323分别具有折射率1.5、1.46、以及1.49。在第二纤芯322和下包层321之间的相对折射率的差(specific refractive index difference)、以及第二纤芯322和上包层323之间的相对折射率的差分别为2.7％和0.7％。如果第二纤芯322和下包层321之间的相对折射率的差如通常情况一样为1％或者更小，则被引导的光通过下包层321泄漏到衬底320。因此，优选的是，将相对折射率的差设置为等于或者大于1％、或者等于或者大于1.5％。
通过控制第二纤芯322的横截面的宽度和高度，可以避免将被引导的光泄漏到衬底320中的问题。例如，优选的是，将下包层321的横截面的宽度W1和高度W2设置为在5.5到9范围内的值，并且更好的是，将该宽度和高度设置为相同的值。在本实施例中，将第二纤芯322的宽度W1和高度W2都设置为7μm。
图20示出在使1.55μm的TM偏振光照到具有第五实施例的横截面结构，并且按照100μm传播之后，按照模组解析器(mode solver)形式的光强度分布。
如从图20中显而易见，没有光在硅层中传播，并且当保持大约7μm或者更大的电路模轮廓时，防止光泄漏到硅衬底中，。
将具有比下包层更高的折射率的材料用于上包层的以上设置可以防止被引导的光泄漏到衬底320中。此外，满足了用于被引导的光的单模条件，并且可以实现具有与单模光纤进行有效连接所需要的尺寸的模场直径。
如上所述，依据图19A到20所示的第五实施例，即使将SOI衬底的二氧化硅膜用作下包层，也可以实现与具有通常所使用的大约9μm的模场直径的单模光纤的有效连接，而同时将被引导的光保持在单模态中，并且防止光对硅衬底的照射。
还可以将以上所描述的在第五实施例中形成的聚合物模323用作包围第一光波导的第一纤芯的上包层。
(第六实施例)
图21A到21E还示出了本发明的另一实施例。图21A到21E所示的光学模块包括：由硅线形成的第一光波导407；用于将光波导407与光波导进行高效地连接的模场尺寸(光点尺寸)转换部分408；以及，通过模场尺寸转换部分408与光学模块407连接的第二光波导409。在由热二氧化硅制成的下包层405上、以及在硅衬底404上形成这些组件。注意，图21C到21E示出了从硅线形成的第一光波导407、模场尺寸转换部分408、以及第二光波导409的横截面。
第一光波导407由以下的组件构成，所述的组件包括：由3μm厚的热二氧化硅(折射率1.45)制成并且在硅衬底404上形成的下包层505；在下包层405上形成的具有0.3μm到0.5μm的宽度和0.2到0.4μm的厚度的由硅制成的第一纤芯401；由具有折射率1.50的聚合物制成并且覆盖纤芯401的上包层420；以及、由具有折射率1.46的聚合物制成并且在上包层420上形成的上包层406。
模场尺寸转换部分408由以下的组件构成，所述的组件包括：下包层405；由硅制成并且在下包层405上形成的锥形部分402，其中，锥形部分的末端的宽度(在光波导409一侧)变为60nm，而同时保持下包层405和纤芯401的厚度；由具有折射率1.50的聚合物制成并且为了覆盖锥形部分402而形成的第二纤芯403，其中，所述的第二纤芯具有3到5μm见方的方形横截面；以及，用于覆盖第二纤芯403的上包层406。锥形部分402具有约为300μm的长度。
光波导409由以下的组件构成，所述的组件包括：下包层405；具有折射率1.50并且在下包层405上形成的纤芯403，其中所述的纤芯具有3到5μm见方的方形横截面；以及，用于覆盖纤芯403的上包层406。
下面将描述在第六实施例的光学模块中的光的传播状态。
从图21A和21B显示的第一光波导的第一纤芯401的左端面入射的光通过纤芯401传播，并且到达锥形部分402的左端部分。随着在图21A中，光通过锥形部分402传播到右边，纤芯宽度逐渐减小，并且光的限制减弱。结果，模场按照圆周方向尽量地扩展。然而，在此时，由于在与锥形部分402相邻处存在具有比下包层405的折射率高的第二纤芯403，因此，光功率分布逐渐从第一纤芯401转移到第二纤芯403。
与以上情况相反，当光从图21A和21B所示的第二纤芯403的右端部分入射时，随着光从右边向左边传播，光分布通过第二纤芯403和锥形部分402移动到第一纤芯402。如上所述，由于使第一光波导407具有模场尺寸转换部分408和与光纤进行连接的第二光波导409，因此，可以将光高效地输入到具有较小模场尺寸的第一光波导407，或者从该第一光波导中高效地输出光。
在依据以上描述的第六实施例的光学模块中，将相同的聚合物材料用于：第一光波导407的上包层420、模场尺寸转换部分408的纤芯403、以及第二光波导409的纤芯403，因此，可以同时形成：第一光波导407的锥形部分402、模场尺寸转换部分408的纤芯403、以及第二光波导409的第二纤芯403。这有助于形成这些组件。
将与用于模场尺寸转换部分408和第二光波导409的第二纤芯403的材料相同的材料，用于第一光波导407的上包层420。由于这个原因，在通过处理聚合物形成第二纤芯403时，如果保留在第一光波导407的区域中的聚合物材料而不对其进行蚀刻，则就足够了。这防止在形成第二纤芯403的过程中，损坏了第一纤芯401。此外，由于纤芯401的表面不暴露给等离子体(plasma)，因此，不需要考虑在用于第二纤芯403的材料和硅之间的蚀刻选择性比率，从而便于蚀刻。
此外，通过在模场尺寸转换部分和第二光波导上形成上包层406，则与其中空气充当上包层的传统情况相比，可以增加满足单模条件的第二光波导的第二纤芯的尺寸。结果，可以降低相对于光纤的连接损耗。
注意，第一光波导407的第一纤芯401的侧表面和上表面被具有比下包层405高大约3％的折射率的上包层420包围。然而，由于具有折射率3.5的硅和下包层405之间的折射率差、以及在硅和上包层420之间的折射率别较大，因此，不会对第一光波导407的光限制特性、弯曲损耗、以及传播损耗造成影响。
在第六实施例中，将具有折射率1.50的聚合物用作第一光波导407的上包层402、模场尺寸转换部分407的纤芯403、以及第二光波导409的第二纤芯403的材料。然而，如果该折射率高于用于下包层405的热二氧化硅的折射率、并且低于用于与第一纤芯401连续的锥形部分402的硅的折射率，就足够了。可以将诸如二氧化硅或者氮氧化硅(SION)的无机材料用作上包层420和第二纤芯403的材料，此外，只要可以通过诸如掺杂的技术在一定的范围内对折射率进行改变，则也可以使用诸如环氧树脂或者聚酰亚胺的聚合物。
在第六实施例中，将具有折射率1.46的聚合物用作上包层406的材料。然而，如果该折射率低于用于第二光波导409的第二纤芯403的材料，就足够了。可以使用诸如SiO2或者SiON的无机材料作为上包层406的材料，此外，只要可以通过诸如掺杂的技术在一定的范围内对折射率进行改变，则可以使用诸如环氧树脂或者聚酰亚胺的聚合物。
(第七实施例)
下面通过采用光波导作为实例来描述制造方法，其中光波导是依据本发明的光学模块的基本单元。
图22示出本发明的另一实施例。在图22中，与图21A到21E相同的参考数字表示相同的部件。在图22中的区域450与第一实施例中描述的光学模块对应。参考符号451表示蚀刻区域。
图23A到23H示出了图22所示的光学模块的制造方法。
使用硅作为用于传输光的纤芯的该光学模块采用了SOI(在绝缘体上硅结构)衬底。SOI衬底由以下的组件构成，所述的组件包括：硅衬底404；由二氧化硅制成并且在硅衬底404上形成的3μm厚的下包层405；以及，具有0.2μm到0.5μm厚度并且在下包层405上形成的硅层411。
首先，通过使用诸如CVD的模形成方法，在SOI衬底上形成充当用于硅层411的蚀刻掩模的、由二氧化硅等制成的掩模材料412(图23A)。然后，使用抗蚀剂覆盖掩模材料412的上表面，并且通过使用诸如电子束平版印刷术或者光刻法的平版印刷术形成所期望抗蚀剂图案413(图23B)。
然而，通过使用抗蚀剂图案413作为掩模，对掩模材料412进行干法蚀刻，形成蚀刻掩模414，然后，清除抗蚀剂图案413(图23C)。通过使用蚀刻掩模414作为掩模对硅层411进行蚀刻，以便形成第一光波导407的第一纤芯401、以及模场尺寸转换部分408的锥形部分402，其中，所述的第一纤芯由硅制成。然后，通过使用蚀刻溶液清除蚀刻掩模414(图23D)。
通过这种方式，在下包层405上形成具有第一纤芯401和锥形部分402的光学模块的电路图案。形成在该电路图案的末端的光输入/输出部分上的锥形部分402，从而使该锥形部分的宽度尺寸向着末端(对应于图21B中的光波导409一侧)逐渐减小，而将第一纤芯401的横截面的高度(厚度)保持不变。末端部分具有50到80nm的宽度。
在SOI衬底上沉积成为模场尺寸转换部分的纤芯和第二光波导409的纤芯的3μm厚的二氧化硅膜415，其中，通过CVD等在所述的SOI衬底上形成了光学模块的电路图案(图23E)。使用锗等对二氧化硅膜415进行掺杂，以使其具有比下包层405的二氧化硅膜的折射率高2％到3％的折射率。
在使用光致抗蚀剂覆盖二氧化硅膜415的上表面之后，由光刻法对该抗蚀剂进行处理，以便形成覆盖纤芯401和锥形部分402的图22中的梨形的(pyriform)抗蚀剂图案416。
然后，通过使用抗蚀剂图案416作为掩模，对二氧化硅膜415进行蚀刻，以便形成：第一光波导407的上包层420、模场尺寸转换部分408的纤芯403、以及第二光波导409的纤芯403。然后，清除抗蚀剂图案416(图23G)。
最后，在SOI晶片(wafer)的整个表面上沉积上包层406，所述的上包层具有3μm或者更大的厚度，并且由具有比第二纤芯403低的折射率的二氧化硅膜来形成(图23H)。通过使用切成小方块(dicing)等方法，在第二光波导409对SOI片进行切割，可以完成具有模场尺寸转换部分408、以及与光纤进行有效连接的第二光波导409的光学模块。
在第七实施例中，如图22所示，预先对抗蚀剂图案416进行设计，从而将相对于光在第二纤芯中的传播方向(图22中的横向)对称的两个区域设置为蚀刻区域451，以便清除二氧化硅膜415，而保留在其余区域中的二氧化硅膜415使其不被蚀刻。由于这防止了在对二氧化硅膜415进行蚀刻时，将第一纤芯401暴露给等离子体，因此，可以避免第一纤芯401的损坏。此外，由于可以极大地减小二氧化硅膜415的蚀刻区域，因此，不需要特别地注意对二氧化硅膜415的蚀刻，这便于蚀刻。
注意，蚀刻区域451的最小宽度依据第二纤芯403的尺寸和下包层405的厚度而变化。在第七实施例中，由于第二纤芯403的横截面是3μm见方，并且下包层405具有3μm的厚度，因此，在图22中的蚀刻区域451的最小宽度变为3μm，在图22中的蚀刻区域451的最小宽度变为3μm。这是由于：如果蚀刻区域451的宽度小于3μm，则通过蚀刻区域415，在彼此相邻的第二纤芯403和二氧化硅膜415之间发生接合，并且光从第二纤芯403中泄漏。
在第七实施例中，二氧化硅用作第一光波导407的上包层420、模场转换部分408的纤芯403、以及第二光波导409的第二纤芯403的材料。然而，如在第六实施例中描述的，可以使用诸如聚酰亚胺或者环氧树脂的聚合物或者氮氧化硅。
(第八实施例)
下面将参考图24A到24C描述本发明的另一实施例。在图24A到24C中，与在图21A到21E中相同的参考数字表示相同的部件。
参考图24A到24C，通过使用由与用于模场尺寸转换部分480的纤芯403和第二光波导409的纤芯403相同的材料制成的上包层420，将由硅线形成的第一光波导507的上包层形成为单一的层。由于纤芯403具有3μm到5μm见方的方形横截面，因此，上包层420的厚度变为3到5μm，该厚度是用于第一光波导的上包层的足够厚度。
由于将与模场尺寸转换部分408的纤芯403和第二光波导409的纤芯403相同的材料用于上包层420，因此，上包层420的折射率高于下包层405的折射率。然而，具有折射率3.5的硅和下包层405之间的折射率的差、以及硅和上包层420之间的折射率差非常大，因此，对第一光波导507的光限制特性、弯曲损耗、以及传播损耗不存在影响。
当在第八实施例中，将第一光波导507的上包层形成为单一的层时，与在第六和第七实施例中由两层构成上包层的情况相比，减小了上包层的厚度。结果，当在具有热控开关的情况，将加热器设置在由硅制成的纤芯401的上方以便对其进行加热时，由于改善了对第一光波导507的第一纤芯401的热传导，因此，可以降低功率消耗。
在第七实施例中描述的图22H的步骤之后，当在模场尺寸转换部分408和第二光波导409的区域中的上包层406被掩蔽，或者当形成充当纤芯403的掩模415时，通过使用模板掩模(stencil mask)等防止膜415沉积在第一光波导上(图23E)时，通过对在第一光波导507的区域中的上包层406进行蚀刻，可以容易地制造图24A到24C所示的光学模块，
依据图21A到21E、22、23A到23H、以及24A到24C所示的第六到第八实施例，通过将相同的材料用于第一光波导的第一上包层和第二光波导的第二纤芯，可以同时地形成第一光波导的第一上包层和第二波导的第二纤芯，从而便于形成这些组件。由于将相同的材料用于第一光波导的第一上包层和第二光波导的第二纤芯，当对该材料进行处理以便形成第二纤芯时，可以保留在第一光波导区域中的材料而不进行蚀刻。这防止将第一纤芯的表面暴露给等离子体。因此，在形成第二纤芯的过程中不会对第一纤芯造成损坏。此外，由于没有将第一纤芯的表面暴露给等离子体，因此，不需要用于第二纤芯的材料和硅之间的蚀刻选择性比率，从而便于蚀刻。结果，在光输入/输出部分可以容易地形成用于与光纤进行有效地连接的模场尺寸转换结构和第二光波导，同时地形成第一光波导而不会导致对第一光波导的第一纤芯的损坏。
依据第六到第八实施例，通过使用具有与下包层的折射率相近的折射率的上包层覆盖模场尺寸转换部分和第二光波导，可以增加第二光波导的纤芯尺寸。这可以降低相对于光纤的连接损耗。
此外，通过将第一光波导的上包层整体地与第二光波导的第二纤芯连接，并且将与第二纤芯相同的材料用于上包层，可以使第一光波导的上包层变薄。结果，当如同具有热控开关的情况，将加热器设置在第一纤芯之上以便对其进行加热时，由于改善了对第一纤芯的热传导，因此，可以降低功率消耗。
此外，清除相对于第二纤芯的光传播方向对称的两个区域，以便形成第二纤芯。这可以极大地减小纤芯材料的蚀刻区域。因此，不需要特别地注意对纤芯材料的蚀刻。这便于蚀刻。
在图21A到21E、22、23A到23H、以及24A到24C中所示的第六到第八实施例中，形成了上包层406。然而，由于层420作为第一光波导407或者507的第一纤芯上的上包层存在，因此，不特别地需要上包层406。对于这样的配置，可以获得与第六到第八实施例相同的效果。
虽然没有特别地描述，在第六到第八实施例中，可以使用如同第一和第二实施例的氧化膜来包围第一纤芯。
以上描述的每一个实施例举例说明了使用二氧化硅膜作为下包层的情况。然而，显而易见，通过使用氮化硅或者石英，也可以获得与以上描述相同的效果相同的效果。
在以上描述的每一个实施例中，将硅衬底用作衬底，然而，可以使用由诸如玻璃或者石英的另外的材料制成的衬底来替代硅衬底。可以在多层衬底上形成依据本发明的光学模块。
在以上描述的每一个实施例中，与模场尺寸转换部分的输入/输出侧连接的第一和第二纤芯在模场尺寸上有所不同。然而，应该注意到：该差别等价于在各个纤芯之间的横截面积或者横截面形状的差别。

Claims (26)

1.一种光学模块，其特征在于：该光学模块包括：
绝缘体上硅结构衬底；
在绝缘体上硅结构衬底上形成的整体上具有扁平形状的下包层(14，24)；
具有四边形横截面并且设置在所述的下包层上的第一纤芯(16，26)；
设置在所述的第一纤芯的末端部分上的第二纤芯(18，28)；以及
设置在包括所述的第一纤芯的末端部分(17，27)和所述的第二纤芯的区域中的上包层(15，25)，其中所述的第二纤芯(18，28)设置在所述第一纤芯的末端部分，
其中，所述的下包层(14，24)和设置在其上的第一纤芯(16，26)构成第一光波导(10，20)，
所述的下包层(14，24)、设置在所述的下包层上的所述的第一纤芯(16，26)的末端部分(17，27)、设置在其上的所述的第二纤芯(18，28)、以及设置在所述第二纤芯的上方和周围的所述上包层(15)，构成模场尺寸转换部分(11，21)，
所述的下包层(16，26)、设置在所述的下包层上的所述第二纤芯(18，28)、以及设置所述的第二纤芯之上和周围的所述上包层(18，28)，构成第二光波导(12)，
所述的第一纤芯(16，26)由硅制成，
所述的第一和第二纤芯(16、18，26、28)的横截面形状不同，以及
所述的第二纤芯(18)由具有比所述的下包层的折射率高、并且比所述的第一纤芯和末端部分的硅的折射率低的折射率的材料制成。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：由其横截面积向着末端逐渐减小的锥形部分来形成末端部分(17)。
3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述的上包层(15)设置在构成第二光波导的所述的下包层上的所述的第二纤芯、以及构成模场尺寸转换部分的末端部分上的所述第二纤芯之上和周围，并且将所述的上包层设置在构成第一光波导的所述第一纤芯上。
4.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：在硅衬底(13)上形成所述的下包层(14)。
5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：由二氧化硅膜(30，213)来覆盖所述的第一纤芯(26，214)和末端部分(27，215)的至少侧面部分。
6.根据权利要求5所述的模块，其特征在于：将末端部分上的所述的第二纤芯(28)设置在二氧化硅膜(30)之上。
7.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述的第二纤芯(18)覆盖末端部分(17)的上表面上的几乎整个区域。
8.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：由二氧化硅膜形成所述的下包层(14)。
9.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：在衬底上形成所述的下包层。
10.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述的上包层(323)的折射率高于所述下包层(321)的折射率。
11.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：在所述的第二纤芯和所述的下包层之间的相对折射率的差大于在所述的第二纤芯和所述的上包层之间的相对折射率的差。
12.根据权利要求3所述的模块，其特征在于：设置在第一光波导的所述纤芯上的所述上包层(420)与所述的第二光波导的所述第二纤芯连续，并且所述的上包层和所述的第二纤芯由相同的材料制成。
13.根据权利要求12所述的模块，其特征在于：将第二上包层(406)设置于：设置在第一光波导的所述纤芯上的所述上包层(420)、以及与所述上包层连续的所述第二光波导的所述第二纤芯之上，并且所述的第二上包层(406)具有低于所述的第二纤芯的折射率。
14.根据权利要求12所述的模块，其特征在于：还包括：其中在相对于所述第二纤芯的光传播方向对称的两个位置不存在用于所述第二纤芯的材料的区域。
15.一种光学模块的制造方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
在绝缘体上硅结构衬底上形成下包层(14)；
在所述的下包层上有选择地形成第一纤芯(16)，所述的第一纤芯具有四边形横截面的像电线一样的形状并且在其末端部分具有锥形部分，而且由硅制成；
在第一纤芯(16)的末端部分和与末端部分连续的下包层上有选择地形成第二纤芯(18)；以及
在第二纤芯上面和周围形成上包层，
其中，下包层和设置在下包层上的第一纤芯的一部分构成第一波导，
下包层、设置在其上的第一纤芯的末端部分、以及设置在末端部分上的第二纤芯，构成模场尺寸转换部分，
下包层和设置在其上的第二纤芯构成第二波导，
第一和第二纤芯具有不同的横截面形状，以及
所述的第二纤芯(18)由具有比所述的下包层的折射率高、并且比所述的第一纤芯和末端部分的硅的折射率低的折射率的材料制成。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：还包括在形成第一纤芯的步骤之后，对第一纤芯、以及第一纤芯的末端部分的至少侧表面进行氧化的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：对末端部分的侧表面进行氧化的步骤包括：在使用抗氧化膜掩蔽第一纤芯和第一纤芯的末端部分的上表面之后，对侧表面进行氧化的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：对第一纤芯和第一纤芯的末端部分的侧表面进行氧化的步骤包括：进行氧化以便覆盖第一纤芯、以及除了末端部分的侧表面之外的末端部分的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：对第一纤芯和第一纤芯的末端部分的侧表面进行氧化的步骤包括热氧化步骤。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：对末端部分进行氧化的步骤包括：以不小于氧化前的宽度尺寸的1/2的宽度尺寸，对第一纤芯和末端部分的末端进行氧化的步骤。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：在形成第一纤芯的步骤中，按照预定的厚度保留第一纤芯周围的硅层，以及
对末端部分的侧表面进行氧化的步骤包括：将第一纤芯周围具有预定厚度的硅层转化为二氧化硅膜。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：在形成第一纤芯的步骤中，在第一纤芯周围留下的硅层具有不小于氧化后的第一纤芯的厚度的1/2的厚度。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：对第一纤芯的末端部分的侧表面进行氧化的步骤包括：在低于硅的折射率的折射率范围内，增加形成的二氧化硅膜的折射率的步骤。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：形成第二纤芯的步骤包括：形成通过末端部分延伸到第一纤芯的第二纤芯(420)的步骤。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：还包括在上包层(420)上另外形成第二上包层(406)的步骤，其中所述的上包层(420)设置在第一光波导的纤芯和与第一光波导连续的第二光波导的第二纤芯上，
第二上包层(406)具有低于第二纤芯(403)低的折射率。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：还包括形成其中在相对于第二纤芯中的光传播方向对称的两个位置不存在用于第二纤芯的材料的区域的步骤。
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CX01 Expiry of patent term
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Granted publication date: 20060125