CN1603869A - 一种脊形圆波导器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种脊形圆波导器件的制作方法，属于光通信平面波导器件领域，其目的是实现波导掩埋深度和波导线宽无关、且偏振不敏感的平面光波导制作。本发明步骤为：对制作波导的基底材料整片进行离子交换，然后进行光刻和等离子体刻蚀，使设计的平面波导器件结构复制到基底材料上并形成脊形结构，再进行第二次离子交换，形成掩埋波导，且波导截面呈圆形。本发明不需要薄膜沉积，成本更低，工艺更简单；波导为同质材料，模场呈圆形轴对称结构，光学传输性能表现为偏振不敏感特性，解决了波导掩埋深度随波导线宽的改变而变化的问题，特别适用于制作阵列波导光栅(AWG)型器件，多模干涉(MMI)型器件等波导线宽不规则的器件。

Description

说明书 一种脊形圆波导器件的制作方法

技术领域

本发明属于光通信平面波导器件领域，具体涉及利用二次离子交换和等离子体刻蚀技术制作玻璃平面光波导的方法。

背景技术

目前制作玻璃光波导的主要方法有5种，分别是离子注入法、RF溅射/等离子体增强化学汽相沉积法(CVD)、火焰水解沉积法(FHD)、离子交换法、复合波导和溶胶凝胶法。其中离子交换法制作玻璃波导相对于其他波导器件制作方法，具有制作工艺简单，设备投入成本低，易操作，和光纤模场耦合好等优点；另外，由于离子交换波导是直接在基片材料内部形成波导，材料应力可以降低到最低，且经过两次的离子交换之后，波导的端面形状可以控制呈圆形轴对称分布，因此离子交换波导器件表现为偏振不敏感特性。离子交换波导器件技术已成为制作平面光波导器件的一项重要技术。

离子交换法制作玻璃光波导的通常方法如图1所示。首先是根据要求选择基玻璃，对基玻璃涂覆保护膜，在保护膜上用光刻的方法刻蚀光波导形状，再去除光刻胶使之暴露出基玻璃；离子交换就是把经过光致刻蚀的基玻璃浸入适当的高温熔盐中，使熔盐中的一价阳离子取代玻璃中不同的一价离子的过程：在玻璃-熔盐界面，由于存在离子浓度梯度，使玻璃表面获得足够动能的离子摆脱束缚进入熔盐，同时熔盐中另一种一价离子进入玻璃取代原来一价离子的位置，这一反应可用下式表示：

              A_molten+B_substrateA_substrate+B_molten式中A和B分别代表两种一价离子，如K⁺、Na+、Li+、Cs+、Ag⁺、Rb⁺或Tl⁺；下角标molten和substrate分别表示“在熔盐中”和“在玻璃衬底中”。该反应的趋势由平衡常数K来决定，K是生成物和反应物的活性比

$K=\frac{a_{\mathrm{substrate}}{b}_{\mathrm{molten}}}{a_{\mathrm{molten}}{b}_{\mathrm{substrate}}}$

式中a、b分别表示A、B离子的活性。平衡常数K定量描述了发生离子交换的趋势，亦就是定量描述了玻璃对不同离子的选择性。K越大表示离子交换更为完全。为了提高平衡常数以促进离子交换的进行，有时往往采用混合熔盐。

玻璃结构的任何改变都会使其折射率发生变化。折射率的增加或减小受两方面因素的影响。一是交换离子的大小，如果较小的离子如Li⁺代替较大离子如Na⁺或K⁺，这样较小离子周围的玻璃网络就会塌陷，从而产生更密集结构导致其折射率的增加。反之，如果较大离子代替较小离子，大离子周围的玻璃网络将膨胀，从而折射率减小；另一个因素是交换离子的电极化率，如果具有较大电极化率的离子如Tl⁺、Cs⁺、Ag⁺、Rb⁺或K⁺代替电极化率较小的离子如Na⁺，玻璃的折射率将增加，反之，则减小。

实验中离子交换温度总是低于玻璃的分解温度，因而在整个扩散过程中玻璃结构可以认为是稳定的。对于大多数玻璃-熔盐体系来说，熔盐中的离子迁移率远大于玻璃中的离子迁移率，且玻璃-熔盐边界上的反应比玻璃衬底中扩散速度快得多。在这种条件下，可用扩散理论来描述上述扩散过程。

离子交换波导的掩埋深度与波导线条宽度之间有着密切的关系，波导线条越宽离子交换波导掩埋越深。如图2所示，图中窄线宽的波导端面2，宽线宽的波导端面3，离子交换基片材料4。当某一平面波导器件的波导线条宽度不同部位之间存在明显差异时，将导致不同宽度位置的波导之间由于波导深度的不匹配导致光的传输性能严重劣化。如阵列波导光栅(AWG)器件、多模干涉(MMI)器件，其条波导的线宽只有几个微米，而其平板波导的线宽是几个毫米甚至几十个毫米，就无法用如图1的方法制作。截至目前相对成熟的离子交换光波导器件只有Y分支型功率分配/耦合器等少数线宽均匀的器件的原因也正在于此。

发明内容

本发明提供一种脊形圆波导器件的制作方法，其目的是实现波导掩埋深度和波导线宽无关、且偏振不敏感的平面光波导制作。

本发明的一种脊形圆波导器件的制作方法，顺序包括以下步骤：

1)将洗净的基底玻璃材料整片放入离子交换对的含Ag⁺，K⁺，Tl⁺、同时融盐的融化温度小于玻璃的Tg点的融盐熔液中，进行第一次离子交换，离子交换的温度低于玻璃的玻璃化转变温度，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对离子交换后的基底玻璃匀胶光刻，光刻掩膜版图形为所需的波导器件结构，对光刻显影后的基底玻璃进行等离子体干法刻蚀，得到脊形台阶结构；

3)把刻蚀并去胶后的基底玻璃放入熔融的含Na⁺、同时融盐的融化温度小于玻璃的Tg点的融盐熔液中进行第二次离子交换，离子交换的温度低于玻璃的玻璃化转变温度，最终得到模场同轴对称的脊形圆波导结构且和器件平板波导的掩埋深度相同。

所述的脊形圆波导器件的制作方法，其特征在于第一次离子交换的融盐可以为硝酸银、硝酸钾或硝酸铊，离子交换时间为1～10小时；第二次离子交换的融盐可以为硝酸钠或醋酸钠，离子交换时间为5～100分钟。

所述的脊形圆波导器件的制作方法，根据波导器件性能的需要，通过等离子体沉积或粘覆的方法在脊形圆波导的表面形成一层光学保护材料作为上覆盖层，达到改善波导有效折射率以及波导器件温度不敏感特性的目的。

本发明与其它利用沉积方法制作波导的技术相比，由于采用离子交换的方法制作波导，不需要薄膜沉积，成本更低，工艺更简单；所述的基底材料除了玻璃之外，还适用于LiNbO₃等其它材料。另外由于波导为同质材料，模场呈圆形轴对称结构，因此波导光学传输性能表现为偏振不敏感特性。本发明和传统的扩散波导以及传统离子交换制作波导工艺相比，可以完全解决波导掩埋深度随波导线宽的改变而变化这一问题，特别适用于制作波导线宽不规则的器件，如阵列波导光栅(AWG)型器件，多模干涉(MMI)型器件等。

附图说明

图1是传统的扩散波导制作工艺流程；

图2是传统的扩散波导器件的端面结构示意图；

图3是本发明波导制作工艺流程图；

图4是本发明一个实施例制作的光波导结构示意图；

图5是本发明加上覆盖层的光波导结构示意图；

具体实施方式

图3是本发明的波导制作工艺流程图。图4为利用本发明得到的波导结构示意图，图中窄线宽的脊形圆波导端面2，宽线宽的脊形圆波导端面3，离子交换基片材料4，波导的中心高度保持一致和线宽无关，由于为了保证能够实现单模传输，必须对每一次的离子交换的温度和时间，以及刻蚀线条的宽度和深度选择合适的参数并严格控制。本方法可应用到多种衬底材质的扩散型波导，下面以玻璃离子交换波导为例来说明具体实施过程。

实施例一：

1)将清洗干净的玻璃基片放入硝酸钾熔融液体中，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸银混合物的熔化温度之间，实际采用温度为390摄氏度，交换时间为1小时，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对第一次离子交换后的玻璃基片匀胶、光刻、显影，把掩膜版上的波导器件结构复制到玻璃表面的光刻胶层；

3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体采用CHF₃/O₂/Ar组成，对玻璃覆盖有光刻胶图形的一面进行各向异性刻蚀，刻蚀深度以形成脊型波导为准；

4)对刻蚀完成后的玻璃片放入丙酮中浸泡或在O₂等离子体中去除残留的光刻胶；

5)把去胶后的玻璃基片放入硝酸钠的熔融液体中进行第二次离子交换，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸钠的熔化温度之间，实际采用温度为337摄氏度，交换时间为5分钟，使条波导的模场结构呈同轴对称。

实施例二：

1)将清洗干净的玻璃基片放入硝酸铊熔融液体中，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸银混合物的熔化温度之间，实际采用温度为360摄氏度，交换时间为6小时，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对第一次离子交换后的玻璃基片匀胶、光刻、显影，把掩膜版上的波导器件结构复制到玻璃表面的光刻胶层；

3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体采用CHF₃/O₂/Ar组成，对玻璃覆盖有光刻胶图形的一面进行各向异性刻蚀，刻蚀深度以形成脊型波导为准；

4)对刻蚀完成后的玻璃片放入丙酮中浸泡或在O₂等离子体中去除残留的光刻胶；

5)把去胶后的玻璃基片放入硝酸钠的熔融液体中进行第二次离子交换，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸钠的熔化温度之间，实际采用温度为337摄氏度，交换时间为50分钟，使条波导的模场结构呈同轴对称。

实施例三：

1)将清洗干净的玻璃基片放入硝酸银熔融液体中，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸银混合物的熔化温度之间，实际采用温度为298摄氏度，交换时间为10小时，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对第一次离子交换后的玻璃基片匀胶、光刻、显影，把掩膜版上的波导器件结构复制到玻璃表面的光刻胶层；

3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体采用CHF₃/O₂/Ar组成，对玻璃覆盖有光刻胶图形的一面进行各向异性刻蚀，刻蚀深度以形成脊型波导为准；

4)对刻蚀完成后的玻璃片放入丙酮中浸泡或在O₂等离子体中去除残留的光刻胶；

5)把去胶后的玻璃基片放入硝酸钠的熔融液体中进行第二次离子交换，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸钠的熔化温度之间，实际采用温度为337摄氏度，交换时间为100分钟，使条波导的模场结构呈同轴对称。

6)利用PECVD工艺，在300摄氏度，100mtorr气压下，以30标准立方厘米5％PH3：N2，20标准立方厘米5％B2H6：N2，100标准立方厘米SiH4，1000标准立方厘米N20为反应气体，在波导表面沉积B203-P205-SiO2玻璃层，称之为BPSG层，作为脊形结构的上覆盖层，达到改善波导有效折射率以及波导器件温度不敏感特性等目的。如图5所示，窄线宽的脊形圆波导端面2，宽线宽的脊形圆波导端面3，离子交换基片材料4，脊形结构的上覆盖层5。

实施例四：

1)将清洗干净的玻璃基片放入硝酸铊熔融液体中，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸银混合物的熔化温度之间，实际采用温度为360摄氏度，交换时间为5小时，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对第一次离子交换后的玻璃基片匀胶、光刻、显影，把掩膜版上的波导器件结构复制到玻璃表面的光刻胶层；

3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体采用CHF₃/O₂/Ar组成，对玻璃覆盖有光刻胶图形的一面进行各向异性刻蚀，刻蚀深度以形成脊型波导为准；

4)对刻蚀完成后的玻璃片放入丙酮中浸泡或在O₂等离子体中去除残留的光刻胶；

5)把去胶后的玻璃基片放入醋酸钠的熔融液体中进行第二次离子交换，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸钠的熔化温度之间，实际采用温度为120摄氏度，交换时间为50分钟，使条波导的模场结构呈同轴对称。

实施例五：

1)将清洗干净的玻璃基片放入硝酸银熔融液体中，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸银混合物的熔化温度之间，实际采用温度为298摄氏度，交换时间为1小时，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对第一次离子交换后的玻璃基片匀胶、光刻、显影，把掩膜版上的波导器件结构复制到玻璃表面的光刻胶层；

3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体采用CHF₃/O₂/Ar组成，对玻璃覆盖有光刻胶图形的一面进行各向异性刻蚀，刻蚀深度以形成脊型波导为准；

4)对刻蚀完成后的玻璃片放入丙酮中浸泡或在O₂等离子体中去除残留的光刻胶；

5)把去胶后的玻璃基片放入醋酸钠的熔融液体中进行第二次离子交换，离子交换的温度处于基底玻璃的玻璃化转变温度和硝酸钠的熔化温度之间，实际采用温度为120摄氏度，交换时间为100分钟，使条波导的模场结构呈同轴对称。

Claims (3)

1.一种脊形圆波导器件的制作方法，顺序包括以下步骤：

1)将洗净的基底玻璃材料整片放入离子交换对的含Ag⁺，K⁺，Tl⁺、同时融盐的融化温度小于玻璃的Tg点的融盐熔液中，进行第一次离子交换，离子交换的温度低于玻璃的玻璃化转变温度，最终整个基片形成平板波导结构；

2)对离子交换后的基底玻璃匀胶光刻，光刻掩膜版图形为所需的波导器件结构，对光刻显影后的基底玻璃进行等离子体干法刻蚀，得到脊形台阶结构；

3)把刻蚀并去胶后的基底玻璃放入熔融的含Na⁺、同时融盐的融化温度小于玻璃的Tg点的融盐熔液中进行第二次离子交换，离子交换的温度低于玻璃的玻璃化转变温度，最终得到模场同轴对称的脊形圆波导结构且和器件平板波导的掩埋深度相同。

2.如权利要求1所述的脊形圆波导器件的制作方法，其特征在于第一次离子交换的融盐可以为硝酸银、硝酸钾或硝酸铊，离子交换时间为1～10小时；第二次离子交换的融盐可以为硝酸钠或醋酸钠，离子交换时间为5～100分钟。

3.如权利要求1或2所述的脊形圆波导器件的制作方法，其特征在于根据波导器件性能的需要，通过等离子体沉积或粘覆的方法在脊形圆波导的表面形成一层光学保护材料作为上覆盖层。

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