CN1424597A - 基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法，(1)将整片制作波导的基底材料放入熔融的硝酸钾熔液中进行离子交换，已能形成波导为判断标准，最终得到平板波导；(2)用预先设计好的掩模版进行光刻，然后在做好光刻的基底上蒸发一层金属Cr或Ni，蒸发完成后进行剥离，使得基底上的金属图形为预先设计图形，然后进行干法刻蚀，得到脊形波导。本发明与硅基二氧化硅波导相比，由于采用离子交换方法制作波导，不需要薄膜沉积，成本更低，工艺更简单；和传统扩散波导相比，由于采用了刻蚀的脊形波导，对光的限制更好。特别是制作的器件要求有空气槽或者反射面时，本方法更为简便。

Description

基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法
                          技术领域
本发明涉及光通讯集成波导器件领域，特别涉及一种基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法。
                          背景技术
随着光纤通信的发展，平面集成光路(PLC)越来越受到人们的重视，目前光波导的制作主要在Si、InP、LiNbO3、GaAs、玻璃等衬底材料上完成。通过基于这些材料的光波导技术，可以制作功分器、光放大器、方向耦合器、波分复用器等DWDM系统组件。基于PLC的集成型波分复用器是光纤通信系统中的核心器件，用来将不同波长的光合成复合光，以及将复合光中不同波长的光分离出来。衍射蚀刻光栅(EDG)型波分复用/解复用器是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种，和其它类型的波分解复用器(如阵列波导光栅型解复用器)相比，它有集成度高结构紧凑、波长分辨率高等优点，适用于多通道的波长分离。
制作光波导的常规工艺一般有刻蚀和扩散。在利用刻蚀工艺的光波导中，目前使用最为广泛的是掩埋型硅基二氧化硅光波导。它的制作过程如下：首先在硅片上沉积两层二氧化硅薄膜，上层为芯层，下层为缓冲层，通过调节工艺参数使芯层的折射率高于缓冲层。然后通过干法刻蚀将芯层刻为条形波导。然后再沉积一层二氧化硅薄膜，作为包层。包层折射率和缓冲层的折射率均小于芯层折射率，从而使大部分光能量集中在芯层传输，形成光波导。薄膜的沉积可以采用化学气象沉积法(PECVD)、火焰水解法(FHD)等方法，干法刻蚀可采用反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子刻蚀(ICP)等方法。图1是掩埋型硅基二氧化硅光波导的截面示意图，由硅基底1、缓冲层2、芯层3、包层4组成。这种方法的优点是和光纤的耦合损耗低，缺点是工艺复杂，成本高。
在利用传统的扩散工艺制作的波导中，一般有基于玻璃衬底的钾钠离子交换波导和基于LiNbO3衬底的质子交换波导，制作方法相似。以钾钠离子交换波导为例，其制作过程如下：先在玻璃衬底上做一层金属掩模，然后将其放入熔融的硝酸钾中进行离子交换。有金属掩模覆盖的衬底部分折射率不变，而在没有金属掩模覆盖的衬底部分由于部分钠离子被钾离子取代，折射率变大，从而形成波导。图2是传统扩散型波导的示意图。5表示玻璃衬底，6表示扩散区域，7表示金属掩模。在制作完成后，去掉金属掩模7。
以蚀刻衍射光栅(EDG)波分复用器件作为一个应用的例子，在用以上两种方法制作EDG器件的时候会碰到工艺困难。图3是EDG型复用/解复用器件的示意图。典型的EDG型复用/解复用器件由输入波导8、自由传播区9、凹面衍射光栅10、输出波导11组成。复合光从输入波导8入射，进入自由传输区9自由发散传播，到达凹面衍射光栅10，由于凹面光栅同时有会聚和色散的功能，所以不同波长的入射光经反射后会聚在成像曲面上不同的位置，并由输出波导输出，即将不同波长的光分离开来，实现解复用的功能。
若采用硅基二氧化硅光波导技术来制作EDG，则衍射光栅10和输入波导8/输出波导11的刻蚀深度不一样。输入波导8/输出波导11的刻蚀深度等于芯层的厚度，而衍射光栅10的刻蚀深度为芯层和包层的和，即从包层一直刻蚀到缓冲层。由于这个原因，刻蚀过程要分为两步，首先，在缓冲层和芯层沉积好之后刻蚀输入波导8/输出波导11；这一步完成后再沉积包层，然后刻蚀衍射光栅10。两步刻蚀需要套刻工艺，工艺比较复杂，对设备要求高，影响成品率。另一方面，衍射光栅10的刻蚀深度一般大于15μm，同时要保证刻蚀面的偏离垂直面的角度小于1°，以保证反射损耗不太大，就目前的干法刻蚀技术而言，很难做到这一点。
若采用传统的扩散型光波导技术来制作EDG，在离子交换工艺过程需要做金属掩模，刻蚀光栅槽面的工艺过程中也要用到金属掩模同样需要做套刻工艺，工艺复杂。
                          发明内容
本发明的目的是提出一种离子交换结合干法刻蚀的基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法。
本发明的技术方案它包括如下两个工艺步骤：
1)将整片制作波导的基底材料放入熔融的硝酸钾熔液中进行离子交换，离子交换的温度大于硝酸钾的熔点330℃而小于基底的熔化温度，交换时间为5~10小时，已能形成波导为判断标准，最终得到平板波导；
2)对做好的平板波导进行离子束刻蚀，刻蚀过程如下：用预先设计好的掩模版进行光刻，光刻胶采用剥离胶；然后在做好光刻的基底上蒸发一层金属Cr或Ni；用丙酮去胶进行剥离，使得基底上的Cr或Ni金属图形为预先设计图形；干法刻蚀，采用反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子刻蚀(ICP)等方法，得到脊形波导。
本发明的优点是：
1)本方法在制作波导的过程中采用离子交换，因此和通过薄膜沉积来制作的硅基二氧化硅波导相比，其成本大为降低；
2)由于刻蚀的作用，比传统的扩散波导对光的限制更强；
3)特别是制作的器件要求有空气槽或者反射面时，本方法更为方便，例如制作EDG波分复用器时，只需要做一步光刻和做一次干法刻蚀，与背景技术相比，极大简化了工艺过程。
                          附图说明
图1是掩埋型硅基二氧化硅光波导结构示意图；
图2是传统的扩散型波导结构示意图；
图3是蚀刻衍射光栅结构示意图；
图4是本发明的一个实施例的光波导结构示意图。
                        具体实施方式
本方法可应用到多种衬底的扩散型波导，下面以基于玻璃衬底的钾钠离子交换波导为例来说明制作方法。本发明的实施包括两个步骤：1、离子交换过程
离子交换的目的是通过扩散作用改变衬底表层附近的折射率从而形成平板波导结构，因此要通过调节离子交换的温度和时间来调节波导的扩散深度和表面折射率差。
将整片制作波导的基底材料放入熔融的硝酸钾熔液中进行离子交换，由于扩散作用，玻璃中的部分钠离子被硝酸钾熔液中的钾离子取代，所以玻璃表层的折射率会比底层的折射率高。扩散后的衬底的折射率从表面往下递减，不同衬底的材料经过离子交换后折射率分布略有不同。以K9光学玻璃为例，经过交换后，其折射率分布接近erfc函数。表面折射率和基底折射率的差Δn受扩散温度的影响，温度越高，Δn越小。例如，在370℃条件下，Δn＝0.008；在450℃条件下，Δn＝0.0063。离子交换的时间和温度都会影响到扩散深度，温度越高，时间越长，扩散深度越深。2、干法刻蚀过程
首先用预先设计好的掩模版进行光刻，光刻胶采用剥离胶，然后在做好光刻的基底上蒸发一层金属Cr，蒸发完成后进行剥离，使得基底上的Cr金属图形为预先设计图形。
然后进行干法刻蚀，采用反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子刻蚀(ICP)等方法，由于金属掩模的作用，刻出脊形波导，刻蚀完成后可以在玻璃表面得到预先设计平面光路图。若要制作EDG波分复用器件，则在光刻时采用预先设计好的EDG的掩模版，这样只需要一次光刻和离子束刻蚀就能达到目的，而常规的工艺需要两次光刻和两次离子束刻蚀。
图4是本发明的一个实例，为了保证刻好后的波导能够单模传输，必须选择扩散温度和扩散时间，并对表面折射率差Δn，波导宽度W和刻蚀深度H进行设计。采用的设计方法为相对精度较高的有限差分方法(FDM)。衬底12选用K9光学玻璃，上方为空气。K9玻璃衬底在1550nm波长的折射率ns＝1.5007，在扩散温度为450℃、扩散时间为6小时的情况下，表面折射率差Δn＝0.0063，形成的平板波导是单模波导；设计的波导宽度W为10微米，刻蚀深度H为5微米。通过FDM对这种波导结构的传播模式进行了分析，模拟结果表明这种结构能很好的在波导中实现单模传输。

Claims (2)

1.基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法，其特征在于它包括如下两个工艺步骤：
1)将整片制作波导的基底材料放入熔融的硝酸钾熔液中进行离子交换，离子交换的温度大于硝酸钾的熔点330℃而小于基底的熔化温度，扩散时间为5~10小时，已能形成波导为判断标准，最终得到平板波导；
2)对做好的平板波导进行离子束刻蚀，刻蚀过程如下：用预先设计好的掩模版进行光刻，光刻胶采用剥离胶；然后在做好光刻的基底上蒸发一层金属Cr或Ni；用丙酮去胶进行剥离，使得基底上的Cr或Ni金属图形为预先设计图形；干法刻蚀，采用反应离子刻蚀或感应耦合离子刻蚀方法，得到脊形波导。
2.根据权利要求1所述的基于离子交换的脊形光波导器件的制作方法，其特征在于所述的基底材料可以是光学玻璃或LiNbO3。
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