CN1252501C - 紧凑型马赫曾德干涉结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紧凑型马赫曾德干涉结构及制作方法，其特征在于采用结构紧凑的T型波导分支器取代传统的马赫曾德干涉结构中所采用的Y型波导分支器，极大地缩小了器件结构的长度，克服了传统器件结构长度长、制作困难的缺点。本结构通过应用大角度、小尺寸、低损耗的全反射型弯曲波导实现了传输光的分束、合束以及传输方向的改变。全反射型弯曲波导的全反射镜凹槽可以利用各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀等技术获得，而且传输光在每个全反射镜镜面的入射角度均大于全反射角；此外，通过全反射镜连接的相邻传输波导的轴线相互垂直。本器件结构可以以硅、绝缘层上的硅(SOI)、GeSi/Si、AlGaAs、GaAs、GaAs/AlGaAs、InP/InGaAsP等材料为基材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型马赫曾德干涉(Mach-Zehnder Interference)结构及制作方法，属于集成光学器件领域。
背景技术
光联网是当前光网络的发展趋势，光联网的实现主要依赖于关键光电子器件和密集波分复用等系统技术的进展。马赫曾德干涉(Mach-ZehnderInterference)结构是一种关键的器件结构，被广泛地应用于光开关、光调制器、波长转换器和光上下路复用器(OADM)等关键光电子器件与设备。
传统的马赫曾德干涉结构通常是由两端两个Y型波导分支器和中间两个波导臂组成。为了尽量降低光能量在分支区附近的辐射损耗，Y型波导分支器的分支角一般很小，而且当分支角大于1°时，辐射损耗随夹角增加急剧上升。由于分支角较小，为了使两分支波导末端达到一定的间距，势必增加分支波导的长度，从而使整个器件结构的长度增加，不利于器件的集成，增大了制备难度；此外，很小的分支角给光刻工艺带来了很大的困难，对器件的制作容差的要求也十分严格(李宝军、万建军、李国正等，GeSi/SiMach-Zehnder干涉型调制器的研制，光电子·激光，vol.11，no.1，P.14-16，2000；潘姬，赵鸿麟，杨恩泽，锗硅脊型光波导Y分支器的模拟及试制，半导体学报，vol.16，no.1，P.62-67，1995)。传统的马赫曾德干涉结构长度很长，制作工艺困难的缺点，既限制了其在光波回路集成(PLC)中的应用，也不符合未来光网络的器件小尺寸化的要求。
由此可见，如能采用分支角大的波导分支器取代Y型波导分支器，则可望极大地缩小了马赫曾德干涉结构的长度，进一步拓展该器件结构的应用范围，特别是在级联式集成器件与设备中的应用，并且促进相关器件与设备的发展。C.Manolatou等人和R.L.Espinola等人的模拟研究表明，小尺寸、低损耗的全反射型弯曲波导不仅可以在小范围内实现了光传输方向的大角度改变，而且可以实现光的分束和合束(C.Manolatou，Steven G.Johnson，Shanhui Fan，et al.，High-density integrated optics，Journal oflightwave technology，vol.17，no.9，P.1682-1692，1999；R.L.Espinola，R.U.Ahmad，F.Pizzuto，et al.，A study of high-index-contrast 90°waveguide bend structures，Optics express，vol.8，no.9，P.517-528，2001)。基于以上认识，本发明提出了一个全新的构思，即能否将全反射型的分支角大的T型波导分支器应用于马赫曾德干涉结构，以期获得结构紧凑、尺寸小、制作容差大、便于实现集成化的器件结构，以克服传统的马赫曾德干涉结构的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型马赫曾德干涉(Mach-ZehnderInterference)结构及制作方法，克服传统器件结构长度很长、制作工艺困难的缺点，以获得结构紧凑、尺寸小、制作容差大、便于实现集成化的紧凑型马赫曾德干涉结构。本发明的目的是通过下面叙述的方式实现的。
首先，采用结构紧凑的T型波导分支器取代传统的马赫曾德干涉结构中所采用的Y型波导分支器。T型波导分支器包括一个具有两个构成较大夹角的全反射镜面的全反射型波导，用于实现输入光束分解成两个分支光束或者两个分支光束合并成输出光束；两个用于传输分支光束的分支波导；两个具有单个全反射镜面的全反射型波导，用于实现分支波导中传输的分支光束传输方向90°的改变。T型波导分支器通过应用大角度、小尺寸、低损耗的全反射型弯曲波导实现了传输光的分束、合束以及传输方向的改变。因此，T型波导分支器的分支角可以非常大，从而极大地缩小了器件结构的长度，克服了传统的马赫曾德干涉结构长度很长、制作工艺困难的缺点，获得了结构紧凑、尺寸小、制作容差大、便于实现集成化的紧凑型马赫曾德干涉结构。
全反射型弯曲波导的全反射镜镜面是通过利用各向异性湿法腐蚀或反应离子刻蚀等技术制备的全反射镜凹槽获得的，要求镜面平整且与波导平面垂直。传输光在每个全反射镜镜面的入射角度均大于全反射角。此外，通过全反射镜连接的相邻传输波导的轴线相互垂直，传输波导均满足波导的单模传输条件。
紧凑型马赫曾德干涉结构可以以硅、绝缘层上的硅(SOI)、GeSi/Si、AlGaAs、GaAs、GaAs/AlGaAs、InP/InGaAsP等材料为基材料。
制作紧凑型马赫曾德干涉(Mach-Zehnder Interference)结构的具体步骤如下：
1、在衬底表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或金属(铝、镍、金等)等硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀全反射镜凹槽时的保护掩膜。
2、光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形。
3、利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出全反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部的波导掩层材料为止。
4、在刻蚀好全反射镜凹槽的材料器件层表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或金属(铝、镍、金等)等硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀传输波导时的保护掩膜。
5、光刻腐蚀出传输波导的图形。
6、利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出传输波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件。
7、去除光刻掩模。
8、采用相关工艺，在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
还可以采用下述制作步骤：
1、在衬底表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或金属(铝、镍、金等)等硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀传输波导时的保护掩膜。
2、光刻腐蚀出传输波导的图形。
3、利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出传输波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件。
4、在刻蚀好传输波导的材料器件层表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或金属(铝、镍、金等)等硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀全反射镜凹槽时的保护掩膜。
5、光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形。
6、利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出全反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部的波导掩层材料为止。
7、去除光刻掩模。
8、采用相关工艺，在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
本发明提供的紧凑型马赫曾德干涉(Mach-Zehnder Interference)结构具有结构紧凑、尺寸小、制作容差大、便于实现集成化等优点，克服了传统器件结构长度很长、制作工艺困难的缺点，可以进一步拓展马赫曾德干涉结构的应用范围，特别是在级联式集成器件与设备中的应用，并且促进相关器件与设备的发展。
附图说明
图1是传统的马赫曾德干涉结构的结构示意图。
图2是紧凑型马赫曾德干涉结构的结构示意图。
图3是紧凑型马赫曾德干涉结构中采用的T型波导分支器的结构示意图。
图4是T型波导分支器的分支区的示意图。
图5是一个全反射型弯曲波导的示意图。
图中，1为Y型波导分支器，2为波导臂，3为相位调制区域，4为分支波导，5为全反射镜凹槽，6为T型波导分支器，7为全反射镜，8为传输波导。
具体实施方式
下面的具体实施例结合附图将有助于理解本发明，但本发明的实施决不仅局限于此实施例。
实施例1在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅(SOI)材料上制作紧凑型马赫曾德干涉结构。
在顶层硅厚度为8μm的(100)晶向的绝缘层上的硅(SOI)材料表面生长一层厚度为500nm二氧化硅掩模，光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形。然后在硅的各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀制作出全反射镜凹槽，腐蚀深度约为8.2μm。在刻蚀好全反射镜凹槽的材料器件层表面生长一层800nm的二氧化硅掩模，光刻腐蚀出传输波导的图形。采用反应离子刻蚀技术刻蚀出传输波导，刻蚀深度约为3μm，满足波导单模条件。去除二氧化硅后，采用相关工艺在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
实施例2在器件层为GaAs/AlGaAs材料上制作制作紧凑型马赫曾德干涉结构。
在器件层厚度为1.74μm的GaAs/AlGaAs材料表面沉积一层厚度为50nm镍掩模，光刻腐蚀出传输波导的图形。然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀出传输波导，刻蚀深度约为0.5μm，满足波导单模条件。在刻蚀好传输波导的材料器件层表面沉积一层200nm的镍掩模，光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形。采用反应离子刻蚀技术刻蚀出全反射镜凹槽，刻蚀深度约为2.0μm。去除镍掩模后，采用相关工艺在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
Claims (4)
1、一种紧凑型马赫曾德干涉结构，包括两个波导臂，其特征在于采用结构紧凑的T型波导分支器取代传统的马赫曾德干涉结构中所采用的Y型波导分支器；所述的T型波导分支器包括一个具有两个构成夹角的全反射镜面的全反射型波导，用于实现输入光束分解成二个分支光束或两个分支光束合并成输出光束；两个用于传输分支光束的分支波导；两个具有单个全反射镜面的全反射型波导，用于实现分支波导中传输的分支光束传输方向的90°的改变。
2、制作如权利要求1所述的紧凑型马赫曾德干涉结构的方法，其特征在于：
1)在衬底表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或铝、镍或金的金属硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀全反射镜凹槽时的保护掩膜；
2)光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形；
3)利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出全反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部的波导掩层材料为止；
4)在刻蚀好全反射镜凹槽的材料器件层表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或铝、镍或金的金属硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀传输波导时的保护掩膜；
5)光刻腐蚀出传输波导的图形；
6)利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出传输波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件；
7)去除光刻掩模；
8)采用相关工艺，在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
3、制作如权利要求1所述的紧凑型马赫曾德干涉结构的方法，其特征在于：
1)在衬底表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或铝、镍或金的金属硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀传输波导时的保护掩膜；
2)光刻腐蚀出传输波导的图形；
3)利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出传输波导，腐蚀或刻蚀深度控制在满足波导单模条件；
4)在刻蚀好传输波导的材料器件层表面生长或者沉积一层光刻掩模，掩模可以为SiO2、Si3N4或铝、镍或金的金属硬质薄膜，其厚度为200～1500nm，作为刻蚀全反射镜凹槽时的保护掩膜；
5)光刻腐蚀出全反射镜凹槽的图形；
6)利用各向异性湿法腐蚀或者反应离子刻蚀等技术制作出全反射镜凹槽，腐蚀或刻蚀深度控制在部分进入底部的波导掩层材料为止；
7)去除光刻掩模；
8)采用相关工艺，在马赫曾德干涉结构的波导臂上制作出相位调制区域。
4、按权利要求2或3所述的紧凑型马赫曾德干涉结构的制作方法，其特征在于：以硅、绝缘层上的硅、GeSi/Si、AlGaAs、GaAs、GaAs/AlGaAs和InP/InGaAsP中一种材料为衬底材料。
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