CN1413309A - 集成光学装置及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
通过将材料层沉积在负膨胀基底(100)上，形成处于与基底(100)之间机械张力中的波导(120)，而制造集成平面布拉格光栅。然后在波导(100)中形成布拉格光栅(200)。随着波导(120)温度的增加，波导(120)和基底(100)之间的机械张力减小，使得布拉格光栅(200)的峰值反射波长几乎保持为常量。
Description
发明背景
1.
技术领域
本发明一般涉及集成光学(“平面”)布拉格光栅，尤其，涉及峰值反射波长对温度变化基本上不灵敏的集成光学布拉格光栅。
2.
背景技术
布拉格光栅包括限定具有交替的较高较低折射率的一图案区域或叠堆区域的光波导，所以光栅反射窄波长频带中的光，频带外的波长能透射过光栅。布拉格光栅是较好的窄带滤光器，它有各种应用，如波长多路复用器、光纤激光镜、色散控制装置或传感器。由于该原因，布拉格光栅在光通信中变得越来越重要。
布拉格光栅的重要特征是其峰值反射波长相对于温度变化的稳定性。石英光纤布拉格光栅的峰值反射波长一般随温度的增加量为大约10皮米/℃，除非采取措施补偿该移动。可以使用应力提供这种补偿。石英光纤布拉格光栅的峰值反射波长将相对于应力线性增加，其大小为大约每psi张力0.1皮米。为了使光纤布拉格光栅的峰值反射波长在工作温度范围上稳定，设计了各种方法使光栅受到的应力级随温度的变化而变化，所以峰值反射波长实质上对温度是不灵敏的。根据经验，如果光纤布拉格光栅上的应力减小到大约120psi/℃的比率，那么光栅的峰值反射波长将相对于温度实质不变化。
获得温度补偿的一种方法是将张力下的光纤布拉格光栅连接到具有负热膨胀系数的基底上。随着温度的增加，基底收缩，因此减轻了光栅中的一些张力。当适当地设计光纤布拉格光栅和基底时，温度增加对没有张力变化的峰值反射波长的效果将抵消该光栅中张力减小对峰值反射波长的效果。
然而，当前的技术还有几个缺点。首先，技术产品的形态是较大的，并需要装在密封包装中，以防止基底和/或光纤到基底粘结剂的损坏。其次，当前装置的制造过程一般较复杂并较昂贵。因此，仍然需要对温度变化相对不灵敏的紧凑光纤布拉格光栅。
发明内容
本发明的一方面包括集成布拉格光栅的形成方法，该方法包括提供负膨胀基底，通过在基底上交替沉积材料并减轻沉积材料中的应力以在基底上形成波导，并在波导中形成布拉格光栅。布拉格光栅具有峰值反射波长，波导和基底具有膨胀失配系数，选择该系数以实质补偿温度变化引起的峰值反射波长的移动。膨胀失配系数最好要大于大约4ppm/℃。通过将沉积材料退火可以减小应力。在较佳实施例中，形成波导的步骤包括通过在基底上交替沉积第一材料，并将第一材料退火而在基底上形成包层，以及通过在包层上交替沉积第二材料并将第二材料退火而在包层上形成纤芯层，其中纤芯层的折射率大于包层的折射率。
根据本发明的另一方面，集成平面布拉格光栅包括负膨胀基底和其中具有布拉格光栅的平面波导。布拉格光栅具有峰值反射波长，其中波导位于基底上，并处于与基底之间的机械张力中。平面波导和基底之间的膨胀失配系数大于大约4ppm/℃，选择它实质补偿温度变化引起的峰值反射波长的移动。在一个较佳实施例中，平面波导包括基底上的包层；和与包层邻接的纤芯层，其中纤芯层的折射率高于包层的折射率。
附图说明
图1是其上沉积波导层的基底的截面图；
图2是基底上波导的端视图；
图3是波导位于基底中凹槽内的另一实施例的端视图；和
图4显示了通过将纤芯层暴露于紫外辐射中，形成波导纤芯层中的光栅。
具体实施方式
如图1所述，集成平面布拉格光栅包括基底100和平面波导120。基底100包括负膨胀材料，也就是基底具有负热膨胀系数。较佳的是，将基底100的顶面抛光，它包括玻璃陶瓷材料，如硅酸铝锂(如β-锂霞石)。基底100最好包括非晶材料。通过在基底上交替沉积材料，并减小沉积材料中的应力，而在基底100上形成波导120。在所揭示的较佳实施例中，波导包括通过在基底上沉积一系列薄层而形成的包层124。例如，可以将厚度为0.1微米的石英薄膜沉积在基底100上，然后通过退火周期减小沉积薄膜中的应力。包层124的退火还能更牢固地粘结薄膜和基底100。可以通过将薄膜慢慢加热到800℃而将它退火，例如以20℃/小时的上升速率，然后将温度恒定保持在800℃30分钟。薄膜退火后，沉积更多的材料，使包层的总厚度达到1微米。可以将这1微米材料层退火，然后通过进一步沉积使总厚度达到2微米，接着是另一退火周期。用这种方法，包层124的厚度可以增加到1到10微米，较佳的是3到4微米。然而，在一个周期中沉积2微米的材料会导致裂缝。这里所述的沉积过程最好包括溅射过程，或者可以包括若干个其它过程中的一个，如物理汽相沉积(PVD)、等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、溶液凝胶法、或火焰水解沉积(FHD)。通过选择适当的沉积温度，可以控制沉积材料中的应力级。
在形成包层124之后，然后以类似于上述包层沉积过程的方法，在包层124上沉积纤芯层126，其中交替沉积并退火材料薄层。可以使纤芯层126的厚度增加到1到8微米，较佳的是2到3微米。总之，用于形成波导120的沉积和退火周期的总数最好不要多于4次。纤芯层126可以是掺锗石英，虽然还可以使用一种或多种其它掺质代替锗，或与锗一同使用，如硼(B)、锡(Sn)、磷(P)、铅(Pb)，以及稀土，如铒(Er)、镱(Yb)、钕(Nd)、镨(Pr)、和铈(Ce)。掺质浓度最好在1到20mole-％之间，较佳的是在3到10mole-％。一般，只要掺质浓度小于8-9mole-％，那么纤芯层126和包层124之间的之间的热膨胀失配系数就不会导致这些层间的裂缝。纤芯层126的折射率大于包层124的折射率，所以通过全内反射将通过纤芯层传播的光限定在纤芯层中。
任选附加包层128(如石英)可以沉积在纤芯层126上，所以纤芯层就夹在两个包层124和128之间。该方法为纤芯126的顶面提供了更多的保护。然而，即使没有上包层128，如果装置被空气包围，光也将被限定在纤芯层126中，因为空气的折射率接近于1(因此小于纤芯层126的折射率)。
包层124、纤芯层126和任选包层128可以用一个或多个掩模(未图示)进行沉积，所以在基底100上形成一较窄的平面波导120。如果不使用掩模，那么必须蚀刻掉层124、126、128的一部分，以形成期望宽度的波导，如图2中端视图所示。此外，可以直接在基底100的凹槽140中形成包层124、纤芯层126和任选包层128，如图3中所示。
如图4中所示，在制造了波导120之后，可以通过将波导暴露于紫外光220中，以在其中形成布拉格光栅200。该UV照射使得纤芯层126中的折射率变化，因此将布拉格光栅“写入”波导120中。通过首先对波导120(尤其是纤芯层126)进行氢气处理，可以有利地增强该光敏效应。在该技术中，以较低的温度(如室温)将波导120暴露于较高压强的氢气中，或者以较高的温度(如500℃)暴露于较低压强的氢气中。该处理使得石英结构吸收氢气，这样就更容易将光栅写入波导120中。在将光栅120写入波导之后，通过加热波导可以使波导释放被吸收的氢气。
虽然波导120中的纤芯层126和包层124(和128)最好具有名义上相同的热膨胀系数，但是波导120和基底100具有膨胀失配系数，选择该系数用于实质补偿布拉格光栅中由于温度变化引起的峰值反射波长的移动。随着波导120温度的增加，波导120和基底100之间的机械张力变小，使得峰值反射波长几乎保持在一常量。为了实现这一点，基底100和波导120之间的膨胀失配系数最好大于大约4ppm/℃，更佳的为大于大约5ppm/℃，并且在一个实施例中大于大约7ppm/℃。因此该装置是集成平面布拉格光栅，其峰值反射波长对温度的变化实质不灵敏。
根据所需的光栅长度和基底100的尺寸，最好在同一基底的单个波导或各个波导中形成多个光栅，记住串扰所施加的约束。通过蚀刻或使用掩模，可以在同一基底中制造耦合器和光栅，以形成紧凑的平面WDM滤波器(未图示)。
应该理解本发明的范围不限于图示或以上的描述，本领域中具有一般技能的技术人员将理解以上实施例的某些变化和改变。
Claims (42)
1.一种温度变化的环境中所用的集成布拉格光栅的形成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，这些步骤可以顺序或非顺序执行：
提供负膨胀基底；
通过在所述负膨胀基底上交替沉积材料并减小所述材料中的应力，而在所述负膨胀基底上形成波导；和
在所述波导中形成布拉格光栅，所述布拉格光栅具有峰值反射波长，其中，所述波导和所述负膨胀基底具有膨胀失配系数，选择该系数以大体补偿由温度变化引起的所述峰值反射波长的移动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减轻应力的方法包括以下步骤：
将材料退火。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，执行不多于4个沉积和退火周期。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成波导的步骤还包括以下步骤：
通过在负膨胀基底上交替沉积第一材料，并将所述第一材料退火，而在负膨胀基底上形成包层，所述包层具有折射率；和
通过在所述包层上交替沉积第二材料，并将所述第二材料退火，而在所述包层上形成纤芯层，其中所述纤芯层的折射率大于所述包层的所述折射率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在纤芯层上形成附加的包层，所以纤芯层就夹在包层和所述附加包层之间。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，纤芯层包括掺锗石英。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，纤芯层包括至少一种选自以下组中的掺质，所述组包括B、Sn、Al、P、Pb、Er、Yb、Nd、Pr或Ce。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，纤芯层包括至少一种选自以下组中的掺质，所述组包括B、Sn、Al、P、Pb、Er、Yb、Nd、Pr或Ce。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，纤芯层的厚度在大约1微米到大约8微米之间。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，纤芯层的厚度在大约2微米到大约3微米之间。
11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包层的厚度在大约1微米到大约10微米之间。
12.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包层的厚度在大约3微米到大约4微米之间。
13.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包层包括石英。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，膨胀失配系数大于大约4ppm/℃。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，膨胀失配系数大于大约5ppm/℃。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，膨胀失配系数大于大约7ppm/℃。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成波导的步骤包括：
溅射过程。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成波导的步骤包括选自以下过程的沉积过程，其中包括物理汽相沉积(PVD)、等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、溶液凝胶法、或火焰水解沉积(FHD)。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，负膨胀基底是抛光的。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，负膨胀基底是玻璃陶瓷。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，负膨胀基底是非晶的。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，负膨胀基底包括硅酸铝锂。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，负膨胀基底包括β-锂霞石。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成布拉格光栅的步骤包括：
用紫外光将布拉格光栅写入波导中。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，写入布拉格光栅的步骤还包括以下步骤：
在写入之前，用氢气处理波导。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
蚀刻掉沉积在负膨胀基底上材料的一部分，以形成波导。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
使用掩模以波导的形式将材料直接加到负膨胀基底上。
28.一种用于温度变化环境中的集成平面布拉格光栅，其特征在于，所述集成平面布拉格光栅包括：
负膨胀基底；
其中具有布拉格光栅的平面波导，所述布拉格光栅具有峰值反射波长，所述平面波导位于所述负膨胀基底上，并处于与所述负膨胀基底的机械张力中，其中，所述平面波导和所述负膨胀基底之间的膨胀失配系数大于大约4ppm/℃，选择该系数以大体补偿温度变化引起的所述峰值反射波长的移动。
29.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，平面波导包括：
负膨胀基底上的包层，所述包层具有折射率；和
邻接所述包层的纤芯层，所述纤芯层的折射率大于所述包层的所述折射率。
30.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，还包括：
纤芯层上的附加包层。
31.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，包层的厚度在大约1微米到大约10微米之间。
32.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，包层的厚度在大约3微米到大约4微米之间。
33.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，纤芯层的厚度在大约1微米到大约8微米之间。
34.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，纤芯层的厚度在大约2微米到大约3微米之间。
35.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，纤芯层是掺锗石英。
36.如权利要求35所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，纤芯层包括至少一种选自以下组中的掺质，所述组包括B、Sn、Al、P、Pb、Er、Yb、Nd、Pr或Ce。
37.如权利要求29所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，纤芯层包括至少一种选自以下组中的掺质，所述组包括B、Sn、Al、P、Pb、Er、Yb、Nd、Pr或Ce。
38.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，负膨胀基底是β-锂霞石。
39.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，平面波导是石英。
40.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，平面波导和负膨胀基底之间的膨胀失配系数大于大约5ppm/℃。
41.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，平面波导和负膨胀基底之间的膨胀失配系数大于大约7ppm/℃。
42.如权利要求28所述的集成平面布拉格光栅，其特征在于，负膨胀基底中限定了一凹槽，其中放置平面波导。
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