CN1474952A - 光波导和序列波导光栅中的双折射控制 - Google Patents

光波导和序列波导光栅中的双折射控制 Download PDF

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Abstract

一种控制制作在硅(1)中的肋状波导结构中的双折射的方法，该肋状波导结构包括一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件(4)，该方法包括在所述肋状波导结构的至少一个部分的所述上表面和侧面上形成一个有预先确定厚度的热氧化层(7)。

Description

光波导和序列波导光栅中的双折射控制
本发明涉及光波导尤其是硅肋状波导结构中的双折射控制，也涉及序列波导光栅中的双折射控制。
众所周知，双折射是光波导中的一个值得注意的问题。双折射可以由许多不同的起源发生，每一个原因都使光以使其遭遇不同的折射率的各种方式发生偏振。这就导致不同偏振的光通过波导进行不同的传输，其结果是，接收随机偏振的尤其是有各种传输损耗的光的器件的状态变得不可预测。一些众所周知的双折射的起源是波导的晶体结构，波导的形状(根据其光引导截面)，以及在波导的通道中作为任何弯曲，衬底的不连续等的结果诱导的应力和张力。
已知一种在硅-绝缘体芯片上制作的肋状波导结构。在PCT专利说明书号No.WO95/08787中作为一个实例叙述了一个这样的配置。这种波导的形式提供了一种单模式，低损耗(对于1.2到1.6微米波长范围通常小于0.2dB/cm)，通常具有能耦合到光纤并和其他集成元件相容的3到5微米数量级的尺度的波导。这种波导的形式也能从常规的硅-绝缘体晶片(如上面提及的WO95/08787中叙述的)方便地制作，因此在造价上相对价廉。本发明的一个目的是控制在这种类型的结构中的双折射。
在图6的平面图中显示的一种序列波导光栅中，双折射能导致偏振依赖频率(PDF)，当被传输的光的偏振发生改变时，这个频率能被作为带通中心频率的转移而实验性地观察到(见图8)。本发明的另一个目的是控制在这种类型的结构中的偏振依赖频率效应。
已经发现，当在一个硅肋状波导结构上形成一个热氧化层时诱导出一个体应力，该体应力以对硅肋状波导中固有的双折射的起源的全面效应相反的方式招致TM和TE偏振的相关传输。还发现，应力诱导热氧化层招致TM和TE偏振的相关传输的程度取决于热氧化层形成的厚度。
根据本发明的一个实施例，提供了一种控制制作在硅中的肋状波导结构中的双折射的方法，该肋状波导结构包括一个延长的有一个上表面和两个侧面的肋状元件，该方法包括在所述肋状波导结构的至少一个部分的上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层。
根据一个实施例，热氧化层提供在波导结构的一个部分上，热氧化层的厚度和在其上形成热氧化层的波导结构的该部分的长度是经过选择的，以便基本消除波导结构中的双折射。
然而，取决于在其中采用包括肋状波导结构的光学器件的应用，热氧化层也可以这样形成，使该波导留有一个经控制的，预先确定的，非零级别的双折射，该双折射可以比该波导在热氧化形成之前的双折射更大或更小。
根据本发明的另一个实施例，在硅中制作肋状波导的方法中提供热氧化层的应用以通过在所述肋状波导结构的至少一个部分上将所述热氧化层形成到一个预先确定的厚度而控制双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种制作硅肋状波导结构的方法，该方法包括：在硅衬底中形成一个延长的肋状元件，该延长的肋状元件有一个上表面和两个侧面；在所述延长的肋状元件的至少一个部分的所述上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层，该预先确定的厚度经过选择以控制肋状波导结构中的双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种制作硅肋状波导结构的方法，该方法包括：在硅衬底中形成多个光学元件，所述光学元件包括至少一个延长的有一个上表面和两个侧面的肋状元件；在所述多个光学元件上生长一层热氧化层；从一个或一组所述光学元件上选择性地刻蚀该氧化层，但保留至少在光学元件的一个部分中的所述至少的延长的肋状元件上的热氧化层，其中该热氧化层的厚度经过选择以控制延长的肋状元件中的双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种光学干涉器件，该器件包括至少两个制作在硅中，有不同光程长度和固有双折射的肋状波导结构，其中在两个肋状波导结构的至少一个结构的至少一个部分上提供一个热氧化层以便基本均衡该两个肋状波导结构的双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种光学器件，该器件包括一个序列波导光栅，该序列波导光栅包括一个制作在硅中并有不同光程长度和不同固有双折射的序列波导结构，每一个肋状波导结构包括一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件，其中在至少一些延长的肋状元件的至少一个部分的上表面和侧面上提供一个热氧化层以便基本均衡该肋状波导结构的每一个结构的双折射。
在本发明的该实施例中，形成一个热氧化层以便将偏振依赖频率转移基本上减到零。或者，在控制根据本发明的序列波导光栅中的双折射的方法中，可以形成一个热氧化层以便将偏振依赖频率转移控制到一个预先确定的不为零的数量，取决于在其中采用该序列波导光栅的应用，该数量可以比形成热氧化层之前的偏振依赖频率更大或更小。
根据本发明的另一个实施例，在硅中制作包括序列肋状波导结构的序列波导光栅的方法中提供热氧化层的应用，以通过在至少一些所述肋状波导结构的至少一个部分上将所述热氧化层形成到一个预先确定的厚度而控制双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种制作包括序列硅肋状波导结构的序列波导光栅的方法，该方法包括：在硅衬底中形成一个延长的肋状元件序列，每一个延长的肋状元件有一个上表面和两个侧面；在至少一些所述延长的肋状元件的至少一个部分的上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层，该预先确定的厚度经过选择以控制序列波导光栅中的双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种制作集成光学器件的方法，该方法包括：在硅衬底中形成多个光学元件，所述光学元件包括一个序列波导光栅，该光栅包括一个延长的每一个有一个上表面和两个侧面的肋状元件序列；在所述多个光学元件上生长一层热氧化层；从一个或一组所述光学元件上选择性地刻蚀该氧化层，但保留至少在光学元件的一个部分中的所述延长的肋状元件序列上的热氧化层，其中该热氧化层的厚度经过选择以控制延长的肋状元件序列中的双折射。
根据本发明的另一个实施例，提供一种集成光学器件，该器件包括：在硅衬底中形成的多个光学元件，所述光学元件包括一个序列波导光栅，该光栅包括一个延长的每一个有一个上表面和两个侧面的肋状元件序列；在所述延长的肋状元件序列的至少一个部分上的一层热氧化层，该热氧化层的厚度经过选择以控制延长的肋状元件序列中的双折射；其中多个光学元件中的至少一个元件通过该热氧化层而暴露。
为了更好地理解本发明并且显示本发明怎样被贯彻实施，将通过实例的方式参考附图，这些附图为：
图1到3说明了肋状波导结构的制造方法的步骤；
图4说明了一个经改进的非双折射结构；
图5示意性地说明了一个波导光栅序列的经改进的非双折射波导序列；
图5a是一个根据本发明生产的波导光栅序列的一个部分的示意图；
图6显示了一个根据本发明生产的波导光栅序列的示意性平面图；
图7显示了对不同的热氧化层厚度的平均PDF相对于序列波导标称间隔的曲线图；和
图8为显示带通频率可以怎样随序列波导光栅中的偏振改变的曲线图。
根据本发明的一个优选实施例叙述了制作硅肋状波导结构的一种方法。本文中叙述的波导结构以硅-绝缘体芯片为基础。在J.Morgail等人的题为“通过双步骤氧注入形成的硅-绝缘体结构中的经减少的缺陷密度”(“Reduceddefect density in silicon-on-insulator structures formed by oxygen implantation intwo steps”)Appl.Phys.Lett，54，p526，1989一文中叙述了形成这种类型芯片的工艺。该文叙述了制作硅-绝缘体晶片的工艺。然后通过例如外延生长而增加这样的晶片的硅层，使其适合于形成本文中叙述的集成波导结构的基础。图1显示了通过在其中形成延长的肋状元件的硅-绝缘体晶片的一个剖面图。该晶片或芯片包括一个由一层二氧化硅3将其和衬底2分开的硅层1。延长的肋状元件4通过刻蚀形成在硅层1中。
延长的肋状元件的宽度通常在1到10微米的数量级，更具体地在3到5微米的数量级。
在光波引导中有一个问题，双折射材料对不同的光偏振表现出不同的折射率。在难以或不可能控制所引导的光的偏振的波导结构中，这形成了一个值得考虑的问题，尤其可以是相当数量的损耗形成的原因。已经发现，例如可以用一个热氧化层基本上减少或实际上消除如本文中叙述的肋状波导结构的双折射。
在后继的工艺步骤中，通过在摄氏1050度的热生长形成一个氧化层。该氧化层在图2中用7表示。在图2中，和图1中相同的数字表示和图1中相同的部分。
热氧化层的生长发生在结合许多硅波导和其他光学元件的晶片的全部表面上。该晶片可以有形成在其上的其他集成的光学元件。光刻胶8被涂覆在晶片上，然后从晶片经选择的区域刻蚀掉。这样，光刻胶被留在晶片上需要有热氧化层的部分上。
然后进行HF刻蚀以除去热氧化层7的非保护部分，留下在延长的肋状元件4的上表面5和侧面6上的氧化层。
完成的结构如图4中描绘。也就是，热氧化层被留在完成结构的延长的肋状元件4的上表面和侧面5和6上。
根据一个实施例，热氧化层只被留在延长的肋状元件的经选择部分的上表面和侧面上。热氧化层的厚度经过选择，以使波导被提供热氧化层的部分有和该波导不被提供热氧化层的部分相反征候的双折射。例如，已经从实验中确定，有4.3μm高，5.8μm宽的凸脊，1.7μm刻蚀深度的波导，通过提供0.35微米的摄氏1050度的湿生长热氧化层，其双折射被从+3.1×10-4减少到-0.55×10-4(此处双折射被定义为nTE-nTM)，通过提供这样的热氧化层，有4.3μm高，3.8μm宽的凸脊，2.3μm刻蚀深度的波导，其双折射被从+1.8×10-4减少到-6.4×10-4。向其提供热氧化层的延长的肋状元件的部分的相关长度经过选择，这样波导的全部双折射就基本为零。例如，如果波导的在其上提供热氧化层的部分有比该波导的没有热氧化层的部分大5倍数量的双折射，波导的在其上提供热氧化层的部分的长度被选择为没有热氧化层的部分长度的五分之一(1/5)，以便基本消除波导整体的双折射。
在一个替换的实施例中，一个通体的热氧化层被留在整个延长的肋状元件的上表面和侧面上，并且该热氧化层的厚度经过选择，这样，波导的总体双折射基本为零。
虽然没有作为上述实施例的特征而显示，热氧化层可以留在硅衬底的全部表面上。可以想象，改变热氧化层在衬底侧面上延伸的范围也可以被用以控制波导的双折射。
现在同样仅通过实例的方法叙述本发明的对控制序列波导光栅中的双折射的应用。
集成光学元件诸如除多路复用器包括一个序列波导光栅，诸如在图6的示意性平面图中示意性地显示的那样。这样的光栅通常包括一个上述种类的硅-绝缘体晶片8，具有一个由第一自由传播区域16从一个其光学长度以一个固定增量增加的肋状波导序列12分开的输入肋状波导10，以及一组由第二自由传播区域18从该肋状波导序列分开的输出肋状波导14。该输出肋状波导在晶片8的边缘对齐而平行。该肋状波导由在外延硅层中刻蚀的沟槽限定，在图6中用黑线显示。
如上文提及，波导中的双折射能导致偏振依赖频率效应，该效应可以被作为带通中心频率的转移而实验性地观察到。本发明的发明者已经发现，这种效应可以通过在肋状波导的序列上生长一个热氧化层而控制。
波导序列可以在下面的条件下形成。一层硅被外延生长到1μm到10μm的厚度，然后沟槽被刻蚀到相应于外延硅厚度的10％到90％的深度，留下一个有1μm到10μm范围的宽度和1μm到50μm范围的隔离的肋状序列。然后在摄氏800度到1200度范围的氧化生长温度下在全部序列上形成一个热氧化层，氧化层的厚度在0.01μm到1.0μm的范围内。
图5中显示了被提供这样的热氧化层的波导的示意性剖面图。虽然该序列通常包括更多波导，图中只显示了三个波导。在图5中，和图4相同的数字指示和图4相同的部分。
根据图6中显示的实施例，热氧化层通过上述技术从序列波导光栅的经选择的部分刻蚀掉，而在序列波导光栅的经选择的部分上留下一个截去顶角的三角形的热氧化层片30。
由于它们不同的长度和曲率度数，序列波导光栅的每一个波导都有一个不同的固有结构性双折射。热氧化层片30被这样构型，序列的每一个波导的全部双折射都基本相同。热氧化层减少了波导的在其上形成热氧化层的部分的双折射(在该部分双折射被限定为TE和TN模式之间的折射率之差，即nTE-nTM)。对序列中较长的波导其固有的结构性双折射也较大。因此，如图6中所示，热氧化层片这样构型，每一个波导的被提供热氧化层部分的长度随着该波导长度的增加而增加，以便补偿序列的波导之间固有的双折射的差异。热氧化层的厚度及热氧化层片的构型经过选择，使序列的每一个波导都有一个基本共同的总体双折射水平或基本为零的总体双折射。
在一个替代的实施例中，一个通体的热氧化层被留在全部序列波导光栅之上，而且该热氧化层的厚度经过选择以将偏振依赖频率转移减少到零(或减少到另一个预先确定的数值，取决于采用该序列波导光栅的应用)。
例如，已经得到了这样的结果，硅外延厚度4.3μm，相应于硅厚度40％的刻蚀深度，4μm或6μm的肋状波导宽度，5μm到15μm范围内的波导隔离，以及在摄氏1050度温度下厚度到0.35μm的热氧化层生长。
对这样的实施例的三个不同的热氧化层厚度所测量的PDF转移相对于序列波导标称隔离的曲线图在图7中显示。对于一个序列波导光栅得到作为图7的曲线的基础的结果，为了在相邻波导之间的光学长度上提供有要求增量的增加，在该光栅序列中各别光栅之间的隔离以一个复杂的方式变化。在这些波导加入第二自由传播区域之处的波导的隔离是恒定的，这里提到的波导标称隔离是被认为和波导之间的平均隔离大致相等之处的隔离。这里提到的隔离涉及如图5中的S显示的相邻波导的中心之间的距离。
序列波导光栅在其中形成的晶片也可以包括在硅中制作的其他附加的光学元件。在这样的实施例中，热氧化层可以形成在序列波导光栅和附加的光学元件上，紧跟选择性的刻蚀以暴露附加的光学元件。图5a示意性地描绘了序列波导光栅的一个部分，显示了已经被去除以暴露附加的光学元件20的热氧化层的一个部分。

Claims (12)

1.一种控制制作在硅中的一个肋状波导结构中的双折射的方法，其特征在于，该肋状波导结构包括一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件，该方法包括：
在所述延长的肋状元件的至少一个部分的所述上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括在延长的肋状元件的一个部分的上表面和侧面上提供一个热氧化层，该热氧化层的厚度和在其上形成热氧化层的延长的肋状元件的部分的长度经过选择，以便基本消除在该波导结构中的双折射。
3.通过在所述肋状波导结构的至少一个部分上形成有预先确定厚度的热氧化层，在硅中制作一个肋状波导结构的方法中应用该所述热氧化层而控制双折射。
4.一种制作一个硅肋状波导结构的方法，其特征在于，该方法包括：
在一个硅衬底中形成一个延长的肋状元件，该延长的肋状元件具有一个上表面和两个侧面；和
在所述延长的肋状元件的至少一个部分的所述上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层，该预先确定的厚度经过选择，以便控制在该肋状波导结构中的双折射。
5.一种在硅中制作肋状波导结构的方法，其特征在于，该方法包括：
在一个硅衬底中形成多个光学元件，所述光学元件包括至少一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件；
在所述多个光学元件上生长一个热氧化层；
从一个或一组所述光学元件上选择性地刻蚀该氧化层，但保留至少在所述延长的肋状元件的一个部分中的至少的延长的肋状元件上的热氧化层，其中热氧化层的厚度经过选择以控制该延长的肋状元件中的双折射。
6.一种光学干涉器件，其特征在于，该器件包括制作在硅中的至少两个肋状波导结构，并且有不同的光程长和固有的双折射，每一个肋状波导结构包括一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件，其中在两个延长的肋状元件的至少一个元件的至少一个部分上提供一个热氧化层，以便使该两个肋状波导结构的双折射基本均衡。
7.一种光学器件，其特征在于，该器件包括一个序列波导光栅，该光栅包括一个制作在硅中的肋状波导结构序列并且具有不同的光程长度和不同的固有双折射，每一个肋状波导结构包括一个有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件，其中在至少一些延长的肋状元件的至少一个部分的上表面和侧面上提供一个热氧化层，以便使每一个肋状波导结构的双折射基本均衡。
8.通过在至少一些所述肋状波导结构的至少一个部分上形成有预先确定厚度的所述热氧化层，在硅中制作一个包括一个肋状波导结构序列的序列波导光栅的方法中应用该所述热氧化层而控制双折射。
9.一种制作一个包括一个硅肋状波导结构序列的波导光栅的方法，其特征在于，该方法包括：
在一个硅衬底中形成一个延长的肋状元件序列，每一个延长的肋状元件有一个上表面和两个侧面；和
在至少一些所述延长的肋状元件的至少一个部分的上表面和侧面上提供一个有预先确定厚度的热氧化层，该预先确定的厚度经过选择，以便控制在该序列肋状波导光栅中的双折射。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中肋状波导结构序列通过形成在硅衬底的一个表面下延伸的延长的沟槽序列而形成，沟槽的侧壁限定了延长的肋状元件的侧面，延长的肋状元件的上表面和硅衬底的所述表面重合。
11.一种制作一种集成的光学器件的方法，其特征在于，该方法包括：
在硅衬底上形成多个光学元件，所述光学元件包括一个序列波导光栅，该光栅包括一个每一个元件有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件序列；
在所述多个光学元件上生长一个热氧化层；和
从一个或一组所述光学元件上选择性地刻蚀该氧化层，但保留至少在所述延长的肋状元件的一个部分中的所述延长的肋状元件序列上的热氧化层，其中热氧化层的厚度经过选择以控制该延长的肋状元件序列中的双折射。
12.一种集成的光学器件，其特征在于，该器件包括多个形成在一个硅衬底上的光学元件，所述光学元件包括一个序列波导光栅，该光栅包括一个每一个元件有一个上表面和两个侧面的延长的肋状元件序列；和一个在所述延长的肋状元件序列的至少一个部分上的热氧化层，该热氧化层的厚度经过选择以控制延长的肋状元件序列中的双折射；其中多个光学元件中的至少一个元件通过该热氧化层而暴露。
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