CN1303444C - 制造平面光波导电路的方法和平面光波导电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造平面光波导电路的方法，包括如下步骤：在一个硅晶片上形成一个缓冲覆层；在缓冲覆层上形成一个多孔芯层；用毫微尺寸的半导体微粒掺杂多孔芯层，以便形成一个掺杂芯层；烧结掺杂芯层；使掺杂芯层形成图形，以便形成芯部分；以及在缓冲覆层和芯部分上面形成一个上面覆层。此外，本发明还公开了一种平面光波导电路，包括：一个硅衬底；一个在硅衬底上形成的缓冲覆层；一个在缓冲覆层上形成的芯；一个在缓冲覆层和芯上面形成的上面覆层，其中芯掺杂有毫微尺寸的半导体微粒。
Description
本申请是中国专利申请No.02800672.0(对应于国际申请日为2002年3月11日的PCT/KR02/00417国际申请)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种制造平面光波导电路的方法和平面光波导电路。
背景技术
用于光通信的光纤是一种元件，其中利用覆层部分与芯部分之间的光折射率的差而引起的全反射来传输光，覆层部分是由高纯度的石英玻璃制成，而在芯部分中对硅玻璃添加各种元素例如锗(Ge)，以稍微提高光折射率。
一般地，制造光纤的过程进一步分为制造光纤预型件的过程，和从光纤预型件抽取光纤的过程。制造光纤预型件的过程利用这种方法，例如改进化学汽相淀积(MCVD)法、汽相轴淀积(VAD)法和外部汽相淀积(OVD)法来完成。
此外，为了使光纤具备特别功能性，在MCVD过程中在使芯层淀积并部分地烧结之后，对芯层的烧结部分添加一种含有掺杂物的溶液。
图1是用于表示按照一般MCVD法制造功能光纤预型件的过程的流程图。
首先，将一种原料气体例如SiCl4、POCl3、CF4和GeCl4与氧气一起吹到一个石英玻璃管里面，并用加热装置将石英玻璃管加热。然后，在石英玻璃管的内部由于热氧化反应而形成象烟炱的氧化沉积物，因而形成覆层和芯层(步骤ST1和ST2)。
其后，将芯层部分地烧结，然后掺杂一种掺杂物，以便具有特别功能性(步骤ST3)。
进一步，使掺杂有掺杂物的部分干燥，并烧结伴随氧化物(步骤ST4)。
其后，使烧结的光纤经受收缩步骤和密封步骤，以便完成光纤预型件的制造(步骤ST5和ST6)。
在这种情况下，利用图2所示设备执行以上掺杂步骤ST3和ST4，以下参考图3A至图3D详细地描述这些步骤。
如图3A所示，在石英玻璃管31内部形成覆层32和芯层33，并且如图2所示，使石英玻璃管31通过一个特氟隆连接器20与烧瓶10连接。
在这种情况下，烧瓶10装有一种含有掺杂物以对石英玻璃管31掺杂的溶液S，并且具有一个气体注入/排出口11，通过该口注入适当气体，例如氩气(Ar)，以将溶液S供给石英玻璃管31内。
换句话说，在石英玻璃管31与烧瓶10通过特氟隆连接器20相互连接的状态下，当将预定量的氩气注入烧瓶10的气体注入/排出口11时，由于注入气体而引起的压力，使烧瓶10中装有的溶液S通过特氟隆连接器20注入石英玻璃管31内。也就是，石英玻璃管31保持在如图3B所示状态。
其后，当经过预定时间时，使氩气通过烧瓶10的气体注入/排出口11排出。然后，保留在石英玻璃管31中的溶液S通过特氟隆连接器20回到烧瓶10。也就是，如图3C所示，芯层的烧结部分掺杂有溶液。
然而，由于图2所示设备将仅执行掺杂过程，所以对于MCVD过程还必须用一个常规设备执行其它各个处理步骤，例如在石英玻璃管内形成覆层和芯层的步骤、烧结步骤、收缩步骤以及密封步骤。
因此，在用常规MCVD处理设备在石英玻璃管内形成覆层和芯层之后，将石英玻璃管移到一个附加设备，以执行掺杂过程。然后，再将完成掺杂步骤的石英玻璃管安装在常规MCVD处理设备中，以进行随后步骤，因而使制造光纤预型件的过程复杂化。
而且，当如图2所示设备执行掺杂过程时，石英玻璃管垂直放置，在预定时间内充满含有掺杂物的溶液，然后排空，所以充满芯的烧结部分的有些掺杂物趋向随同溶液一起漏出。这样导致由掺杂光纤预型件而给予的功能特性的变坏，如图3D所示。
同时，光通信技术的最新发展要求高速非线性光学元件，例如光调制器、光开关和光隔离器。作为一种努力，为了生产这样的非线性光学元件，正在进行用半导体微粒掺杂光纤的研究。
然而，在如上所述制造光纤预型件的常规方法中，在掺杂比现有掺杂物的尺寸要大的毫微尺寸的半导体微粒时存在困难。
此外，如上所述的掺杂设备限制了芯层的烧结部分，并且因而限制了掺杂物的掺杂量。
这样不利地影响功能光纤的特性，特别是非线性光纤的特性，它受掺杂物的掺杂量的影响。
发明内容
因此，本发明致力于解决相关领域出现的问题而实现，为此，提供一种制造平面光波导电路的方法和一种平面光波导电路。
按照本发明的一个方面，提供一种制造平面光波导电路的方法，它包括如下步骤：准备一个硅晶片；用FHD(火焰水解淀积)方法在硅晶片上淀积由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3组成的第一沉积物；在高温电炉中烧结第一沉积物，以便形成一个缓冲覆层；用FHD方法在缓冲覆层上淀积由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3组成的第二沉积物，从而形成多孔芯层，第二沉积物比缓冲覆层具有更高的折射率；将淀积有多孔芯层的硅晶片浸入一种溶解毫微尺寸的半导体微粒的溶液中；去除溶液使硅晶片干燥，以便形成一个掺杂的芯层；并烧结掺杂的芯层；使烧结的芯层经受反应离子蚀刻(RIE)，以便留下用作光波导的芯部分；用FHD方法在缓冲覆层和芯部分上面淀积与缓冲覆层具有相同成分的第三沉积物；以及烧结第三沉积物，以便形成一个上面覆层。半导体微粒优选地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成。
按照本发明的又一个方面，提供一种平面光波导电路，包括：一个硅衬底；一个通过用火焰水解淀积(FHD)方法在硅衬底上淀积由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3组成的第一沉积物，以及在高温电炉中烧结第一沉积物形成的缓冲覆层；一个通过用火焰水解淀积方法在缓冲覆层上淀积由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3组成的第二沉积物，它比缓冲覆层具有更高的折射率，以便形成一个多孔芯层，以及将淀积有多孔芯层的硅晶片浸入一种溶解半导体微粒的溶液中，以便形成一个掺杂芯层，以及烧结掺杂芯层，以及使掺杂芯层经受反应离子蚀刻(RIE)形成的用作光波导的芯部分；一个通过用火焰水解淀积方法在缓冲层和芯部分上面淀积与最初玻璃层具有相同成分的第三沉积物，以及烧结第三沉积物形成的上面覆层。半导体微粒优选地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成。
附图说明
在阅读以下连同附图所作的详细描述之后，本发明的以上目的及其它特点和优点将变得更加显而易见，其中：
图1是用于表示通过一般MCVD法制造功能光纤预型件的过程的流程图；
图2是用于执行掺杂过程的常规设备的侧视图；
图3A至图3D是用于描述图2所示设备的操作的断面图；
图4是按照本发明的第一实施例的使用MCVD制造光纤预型件的设备的结构图；
图5A至图5C是用于表示图4所示设备的掺杂过程的断面图；
图6A和图6B是用于表示非线性光纤的光吸收系数的曲线图，它们分别按照使用图2所示设备的常规方法和使用图4所示设备的本发明方法掺杂了掺杂物；
图7是用于说明按照本发明的第二实施例制造的平面波导电路的透视图；以及
图8A至图8E是用于说明制造如图7所示的光波导电路的过程的断面图。
具体实施方式
由以下连同附图的描述，本发明的以上和其它目的、特征和优点将显而易见。
图4是按照本发明的第一实施例的使用MVCD制造光纤预型件的设备的结构图。
如图4所示，在制造光纤预型件的设备中，石英玻璃管52由车床51保持，在部分53用加热装置54加热。例如，使石英玻璃管52沿第一方向55a旋转，并用运载部件56使加热装置54沿第二方向55b移动。也就是，使石英玻璃管52的加热部分53在旋转的同时而移动。
同时，通过注射管57从供料器58向石英玻璃管52内注入一种原料，优选地为溶液，它含有一种物质，特别为几毫微尺寸的半导体微粒，用于形成功能光纤预型件。在这种情况下，从供料器58注入石英玻璃管52的半导体微粒包括由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成的微粒。
以下，将描述使用具有上述结构的设备制造光纤预型件的过程。
首先，如图4所示，在将用于形成光纤预型件的石英玻璃管52安装在车床51上的状态下，通过注射管57将一种特别原料例如SiCl4、POCl3、CF4和GeCl4与氧气一起注入石英玻璃管52内，用于形成覆层和芯层。
其后，当使石英玻璃管52沿第一方向55a旋转的同时，使加热装置54沿第二方向55b移动，以便在石英玻璃管52内形成覆层和芯层。
此外，将芯层部分地烧结，然后掺杂一种掺杂物，以便产生一种功能光纤预型件。以下将参考图5A至图5C描述掺杂过程。
首先，如图5A所示，在石英玻璃管52的内部形成部分烧结的芯层之后，使加热装置54沿第二方向55b移动，以使石英玻璃管52在靠近其两端的两个位置处的直径部分地收缩，如图5B所示。
也就是，在图4所示设备中，使加热装置54在靠近石英玻璃管52的第一端的位置521处，保持固定预定时间，以便使石英玻璃管52在位置521处的直径收缩预定量。其后，使石英玻璃管52在靠近第二端的位置522处经受如上述相同的处理，以便使石英玻璃管52在位置522处的直径收缩预定量。在这种情况下，优选地石英玻璃管52在两个位置处的直径的收缩量大于或等于芯层的厚度。
其后，如图5B所示，将一种含有掺杂物的原料即功能溶液从供料器58注入因收缩而形成内部环形突起的石英玻璃管52内。
在这种情况下，这样提供含有掺杂物杂质成分的功能溶液，以便与芯层的烧结部分的厚度和内部环形突起的高度相应。
也就是，如图5C所示，当将含有掺杂物的功能溶液注入石英玻璃管52内时，使石英玻璃管52旋转，以便掺杂物渗透在具有圆筒形的石英玻璃管52内形成的芯层的烧结部分。
在这种情况下，由于石英玻璃管52的内部环形突起与芯层具有相同的水平面，所以即使当芯层具有较大烧结部分时，掺杂物也可以稳定地保留在烧结部分中。因此，有可能增加渗透芯层的掺杂物的量。
其后，供料器58使O2和Cl2通过石英玻璃管52的内部，以消除在掺杂过程期间产生的羟基(OH)成分，并且在使石英玻璃管52沿第一方向旋转的同时，使加热装置54沿第二方向移动，以便使石英玻璃管52内的掺杂物干燥。
图6A和图6B是用于表示分别按照常规方法和本发明方法掺杂有掺杂物的非线性光纤的光吸收系数的曲线图。
图6A表示按照常规掺杂方法掺杂有PbTe半导体微粒的非线性光纤的光吸收系数的特性，而图6B表示按照本发明的利用部分收缩的掺杂方法掺杂有PbTe的非线性光纤的光吸收系数的特性，其中用0.05克分子的PbTe掺杂各光纤的芯层。
如图6A所示，按照常规掺杂方法掺杂有PbTe的非线性光纤在1050nm附近波长范围内表现无光吸收，这个波长是PbTe的固有波长。这意味光纤为表现非线性光特性而不适当地掺杂有PbTe。
然而，如图6B所示，按照本发明的部分收缩方法掺杂有PbTe的非线性光纤，在1050nm附近波长范围内表现测量为0.005cm-1的光吸收系数。这意味毫微尺寸的PbTe保留在石英玻璃管的芯层中。
因此，注意本发明方法提供一种非线性光纤，与常规方法比较，它在宽带波长范围内具有普遍高的光吸收系数。这是由于使用本发明部分收缩方法与常规方法比较，在芯层中相同半导体微粒的掺杂含量变得较高的事实而引起。
因此，按照本发明，有可能用制造光纤预型件的常规设备，而不用单独的附加设备，来执行掺杂物特别是毫微尺寸的半导体微粒的掺杂过程，并增加掺杂物的量。
此外，能均匀地形成掺杂有掺杂物的光纤预型件的芯层，以便使得由掺杂杂质成分而引起的光纤的特性得到稳定和改善。
按照本发明的另一个实施例，提供一种如图7所示的平面光波导电路。以下，参考图8A至图8E描述制造平面光波导电路的过程。
首先用FHD方法在硅晶片70上淀积由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3组成的第一沉积物，并使第一沉积物在高温电炉中烧结，以便形成一个玻璃层的缓冲覆层71(图8A)。然后，用FHD方法在缓冲覆层上淀积由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3组成的第二沉积物，它比缓冲层具有较高的折射率，以便形成多孔芯层72(图8B)。
随后，将淀积有多孔芯层72的硅晶片70浸入一种溶解半导体微粒的溶液中，然后通过去除溶液使其干燥并烧结，以便形成一个玻璃层的掺杂芯层72’，如图8C所示。使掺杂芯层72’经受RIE，以便留下用作光波导的芯部分72”，如图8D所示。最后，用FHD方法在缓冲覆层71和芯部分72”上面淀积与缓冲覆层71具有相同成分的第三沉积物，并且烧结，以便形成一个上面覆层73，如图8E所示。毫微尺寸的半导体微粒优选地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成。
同时，本发明不限于上述的具体实施例，并且能在不违反本发明的真正范围下以各种方式改变和变更。
例如，按照本发明的部分收缩方法，通过使用各种半导体微粒作为掺杂物，能产生具有非线性特性和各种功能的各种光纤元件，例如用于光开关和光调制器的光纤。
如上所述，按照本发明，使石英玻璃管的直径在靠近其两端的两个位置处部分地收缩，然后掺杂一种掺杂物，例如半导体微粒，以便掺杂过程能稳定地进行，以利用制造光纤预型件的常规设备，而不使用附加设备，产生一种具有稳定特性的非线性光纤。
虽然已经说明和描述了被认为是本发明的优选具体实施例，但本领域技术人员将会理解，本发明不限于其具体实施例，并且在不违反本发明的真正范围下，可以用各种改变和变更及等效来代替其要素。
Claims (4)
1.一种制造平面光波导电路的方法，该方法包括如下步骤：
准备一个硅晶片；
用火焰水解淀积(FHD)方法在硅晶片上淀积由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3组成的第一沉积物；
在高温电炉中烧结第一沉积物，以便形成一个缓冲覆层；
用火焰水解淀积方法在缓冲覆层上淀积由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3组成的第二沉积物，它比缓冲覆层具有更高的折射率，以便形成一个多孔芯层；
将淀积有多孔芯层的硅晶片浸入一种溶解半导体微粒的溶液中，以便形成一个掺杂芯层；
烧结掺杂芯层；
使掺杂芯层经受反应离子蚀刻(RIE)，以便留下一个用作光波导的芯部分；
用火焰水解淀积方法在缓冲层和芯部分上面淀积与最初玻璃层具有相同成分的第三沉积物；以及
烧结第三沉积物，以便形成一个上面覆层。
2.如权利要求1所述的方法，其中半导体微粒由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成。
3.一种平面光波导电路，包括：
一个硅衬底；
一个通过用火焰水解淀积(FHD)方法在硅衬底上淀积由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3组成的第一沉积物，以及在高温电炉中烧结第一沉积物形成的缓冲覆层；
一个通过用火焰水解淀积方法在缓冲覆层上淀积由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3组成的第二沉积物，它比缓冲覆层具有更高的折射率，以便形成一个多孔芯层，以及将淀积有多孔芯层的硅晶片浸入一种溶解半导体微粒的溶液中，以便形成一个掺杂芯层，以及烧结掺杂芯层，并使掺杂芯层经受反应离子蚀刻(RIE)形成的用作光波导的芯部分；
一个通过用火焰水解淀积方法在缓冲层和芯部分上面淀积与最初玻璃层具有相同成分的第三沉积物，并烧结第三沉积物形成的上面覆层。
4.如权利要求3所述的平面光波导电路，其中半导体微粒由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一种组成。
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