CN1690747A - 光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，包括如下步骤：选用双面抛光的SOI基片，在SOI基片上沿斜线x1方向划片，将其分割成三部分；对其中的波导区进行端面抛光和氧化处理，将这三部分健合在同一硅片上；利用版图通过一次光刻将光纤定位槽、光斑转换器、和波导器件的图形同时形成在制作步骤一中加工好的衬底上；利用版图在波导区形成双层掩膜；采用低浓度氢氧化四甲基铵和少量过硫酸铵腐蚀出光纤定位槽；以及采用浓度较高氢氧化四甲基铵腐蚀出光斑转换器和光波导器件；利用高精度的步进电机制作光斑转换器，所得到的光斑转换器为水平和垂直楔型渐变的形状，并且楔变长度较长。

Description

光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法

技术领域

本项发明涉及到光学器件与光纤之间的耦合连接。特别是属于脊型波导器件与光纤耦合连接的制备技术。

背景技术

光通讯系统中光在发生器、转换器、以及接收器之间的传输是通过光纤连结来实现的。所以改善光学器件和光纤之间的耦合技术十分必要。迄今为止，实验室所采用的耦合技术是，首先将分离的光纤阵列和光波导阵列进行对准，然后用特定的紫外固化胶将其固定连接。这种封装技术最大的问题在于对准非常困难，光纤-波导对的对准需要进行5维的微调。另外，所制成的集成块的寿命受环境影响较大。由于光纤-波导之间的对准容差很小，紫外固化胶的相对微小变形都会导致器件的通光性能下降。而且在这种的技术下，无论是采用光斑转换器还是对光纤进行处理来增加耦合效率，都会大大加重对准和封装的工作，从而增加封装成本。由于以上的耦合办法有着诸多缺点，科研工作者一直想实现波导器件和光纤定位槽在同一基片上的集成。但是这种集成面临着两个工艺难题：其一是与光纤相接的波导端面不能进行垂直抛光处理，其二是不能在波导端面镀反射膜。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其为以上问题的解决提供了新的思路，在很大程度上改善了光路的对准和器件的封装，减少了器件寿命对环境的依赖，并且，在光斑转换器的帮助下能够获得较高的耦合效率。

本发明一种光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)选用双面抛光的SOI基片，在SOI基片上沿斜线x1方向划片，将其分割成三部分，其中两端的部分用于制作光纤定位槽，中间的制作成波导区，它由光斑转换器和波导器件组成；

b)并对波导区进行端面抛光和氧化处理，将这三部分健合在同一硅片上；

c)利用版图通过一次光刻将光纤定位槽、光斑转换器、和波导器件的图形同时形成在制作步骤一中加工好的衬底上；

d)利用版图在波导区形成双层掩膜，并利用版图先后制作出光斑转换器和波导器件；

e)采用低浓度氢氧化四甲基铵＜5wt.％+少量过硫酸铵腐蚀出光纤定位槽；以及采用浓度较高氢氧化四甲基铵＞20wt.％腐蚀出光斑转换器和光波导器件；

f)利用高精度的步进电机制作光斑转换器，所得到的光斑转换器为水平和垂直楔型渐变的形状，并且楔变长度较长。

其中所述的斜线x1与SOI基片I所标定的{110}晶向x3的夹角由光入射的布儒斯特角决定。

其中，对波导区进行端面抛光时要保持端面的倾斜度，另外，端面的氧化层可以掩蔽住各向异性腐蚀溶液对端面的侵蚀。

其中，光纤定位槽区是SOI背面向上健合，而波导区是SOI正面向上健合；

其中，光纤定位槽区和波导区对接的端面保持平行，并且平行与x1方向。

其中，健合时，光纤定位槽区和波导区有一间隙，为制作提供容差。

其中，光纤定位槽区的掩膜为二氧化硅(SiO₂)；波导区第一层掩膜为SiO₂，第二层掩膜为金属钛或铬金。

其中浓度较低的腐蚀溶液为3wt.％氢氧化四甲基铵+0.3wt.％过硫酸铵浓度。

其中，浓度较高氢氧化四甲基铵为25wt.％。

其中，光斑转换器长度大于1000μm。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1a和图1b分别是按照一定角度划片和对制作波导区的基片进行端面处理示意图；

图2是健合示意图；

图3是包含波导器件VIII、光斑转换器VII和光纤定位槽VI图形的简易版图；

图4是掩蔽波导和光斑转换器区域的版图；

图5是掩蔽波导区域的版图；

图6是光斑转换器VII结构示意图；

图7是制作光斑转换器的装置示意图；

图8是耦合部分的立体图；

图9是嵌入V-型槽中，外包层的一侧具有金属薄膜光纤的示意图。

具体实施方式

选取双面抛光的SOI基片I作为加工材料。衬底为{001}晶面。首先用激光刀进行划片。如图1a所示，直线x2和x3分别沿相互垂直的<110>晶向，斜线x1与线x3的夹角为a1，它由以后形成的布儒斯特角决定。用激光刀沿斜线x1方向将SOI基片划开，将SOI片分成三部分，中间的部分用于制作脊型波导器件，例如光开关阵列，两端的部分用于制作光纤定位槽，即V-型槽。

对SOI基片的中间部分在x1处的端面进行精细抛光和氧化工作。首先进行端面抛光，在抛光的过程中保持a1倾角不变，宽度为W1。将抛光后的基片放在氧化炉中，进行干法氧化数小时，在氧化的过程中要使基片的表面和氧气隔离。样品如图1b所示。

将三部分基片清洗干净后，按照图2的方式健合在硅片II上。中间一部分是SOI正面向上健合，而两端的部分则背面向上健合，并且保持对接面平行。这样三部分基片的同一<110>晶向将按照所要求的方式互成一定的角度。另外，在交界处有一定的间隙b，它可以为以后的工艺提供制作容差。将上面健合好的样品放在氧化炉中进行干法氧化处理。

用图3a所示的版图III对样品进行光刻。在III上中间的部分为波导区，两端为光纤定位槽区。波导器件VIII与SSC VII的总长度为W2，有w1+b＞W2；波导器件VIII长度W3；版图上V-型槽VI的宽度W4是由光纤和波导在竖直方向的对准位置和材料的纵横腐蚀比来决定。波导的纵向平行于晶向x2，其输入、输出端也平行于x2方向。V-型槽VI的方向平行于晶向x3。这样是为了保证光线以布儒斯特角入射到波导中。当光线以TM波形式传播时，透射系数和反射系数分别为

$R=\frac{{(n_2{\cos \mathrm{\&theta;}}_i-n_1{\cos \mathrm{\&theta;}}_t)}^2}{{(n_2{\cos \mathrm{\&theta;}}_i+n_1{\cos \mathrm{\&theta;}}_t)}^2},$

$T=\frac{{4n}_1{\cos \mathrm{\&theta;}}_t{n}_2{\cos \mathrm{\&theta;}}_i}{{(n_2{\cos \mathrm{\&theta;}}_i+n_1{\cos \mathrm{\&theta;}}_t)}^2}$

当入射角θ_i＝arctg(n₂/n₁)时，R＝0，即光可以无反射的进入第二介质。例如，当波导和光纤之间采用匹配液时，n₁＝1.45，n₂＝3.50。因此，θ_si＝22.5°＝a1，如图3b。

通过光刻将版图III的图形形成在样品表面，并且将表面曝光处的SiO₂薄膜去掉。这时由于中间区域端面经历了两次氧化，因此它的SiO₂层较厚，这层薄膜没有在此次光刻中被去除掉只是被减薄了，它将在以后的样品刻蚀中对端面起保护作用。

在样品表面溅射一层金属薄膜，要求这层金属薄膜在腐蚀溶液中的腐蚀速度极小。由于在这里我们选用氢氧化四甲基铵(THAM)腐蚀溶液，所以相应的金属薄膜可选用钛、金等。然后用图4所示的版图IV进行光刻，去掉V-型槽区域的金属薄膜。

采用THAM(3wt.％)各向异性腐蚀溶液腐蚀V-型槽，在这种浓度下硅具有很高的腐蚀速度约1.1μm/min。为了提高腐蚀底面的光滑度，在溶液中加入适当的氧化剂过硫酸铵(NH₄)₂S₂O₈(0.3wt.％)。过硫酸铵的作用很大，它不但能够抑制硅底面“小山包”的形成，而且能够提高硅与二氧化硅的腐蚀比(高达2000/1)。在THAN(3wt.％)+(NH₄)₂S₂O₈(0.3wt.％)腐蚀溶液中，晶面(100)和(111)腐蚀比约34∶1。另外，这种腐蚀溶液不腐蚀金属钛和金。

在以后用湿法腐蚀溶液制作光斑转换器和波导的过程中，腐蚀的V-型槽部分将不再另加掩膜进行掩护。V-型槽是由{111}晶面组成，在3wt.％THAM腐蚀液中，{111}晶面与{001}晶面的腐蚀速度之比约1∶34，所以在腐蚀V-型槽的时候按比例少腐蚀一段时间，然后在以后的波导器件腐蚀的过程中加以补偿。

下面的工作是用图5所示的版图V再次进行光刻，让光斑转换器的部分露出而掩蔽住波导区。去掉光斑转换器部分的金属掩膜，以便制作光斑转换器。从图中可以看出，版图IV和V相似，只是挡光部分的宽度不同。

在此采用的光斑转换器VII的结构是垂直和水平都楔型渐变的形式，如图6。这种结构的光斑转换器可以将光纤中的光斑转换成脊型波导中的光斑形状，从而减小了光的辐射损耗。这里提供了一种简单的制作方法：将样品悬挂在一个步进电机的下面，步进电机的步长在微米量级。在计算机控制下将样品缓慢的浸入到腐蚀溶液中，利用样品前后部分的腐蚀时间的不同从而得到垂直楔变的波导结构。通过调节样品的下降速度和腐蚀速度之比，可以调节楔变的角度。如图7。

光斑转换器形成后，去掉剩余部分的金属掩膜。将整个样品浸入到腐蚀溶液中刻蚀出波导图形。由于波导的刻蚀深度比较浅，为了使刻蚀速度容易，应该采用25.％THAM。硅在这种浓度下的腐蚀速度很慢而且腐蚀表面光滑。最后溅射上一层SiO₂保护膜，如图8。

将光纤嵌入V-型槽中与波导对准后并用紫外固化胶固定，这种紫外固化胶的折射率与光纤的相匹配，将这种胶填满光纤与波导的隔离槽。

另外为了提高制作容差，最好在光纤的外包层的一侧镀一层金属薄膜。这样可以使光纤在V-型槽中微调，如图9。

Claims (10)

1、一种光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)选用双面抛光的SOI基片，在SOI基片上沿斜线x1方向划片，将其分割成三部分，其中两端的部分用于制作光纤定位槽，中间的制作成波导区，它由光斑转换器和波导器件组成；

b)并对波导区进行端面抛光和氧化处理，将这三部分健合在同一硅片上；

c)利用版图通过一次光刻将光纤定位槽、光斑转换器、和波导器件的图形同时形成在制作步骤一中加工好的衬底上；

d)利用版图在波导区形成双层掩膜，并利用版图先后制作出光斑转换器和波导器件；

e)采用低浓度氢氧化四甲基铵＜5wt.％+少量过硫酸铵腐蚀出光纤定位槽；以及采用浓度较高氢氧化四甲基铵＞20wt.％腐蚀出光斑转换器和光波导器件；

f)利用高精度的步进电机制作光斑转换器，所得到的光斑转换器为水平和垂直楔型渐变的形状，并且楔变长度较长。

2、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中所述的斜线x1与SOI基片所标定的{110}晶向x3的夹角由光入射的布儒斯特角决定。

3、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，对波导区进行端面抛光时要保持端面的倾斜度，另外，端面的氧化层可以掩蔽住各向异性腐蚀溶液对端面的侵蚀。

4、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，光纤定位槽区是SOI背面向上健合，而波导区是SOI正面向上健合。

5、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，光纤定位槽区和波导区对接的端面保持平行，并且平行与x1方向。

6、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，健合时，光纤定位槽区和波导区有一间隙，为制作提供容差。

7、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，光纤定位槽区的掩膜为二氧化硅；波导区第一层掩膜为二氧化硅，第二层掩膜为金属钛或铬金。

8、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中浓度较低的腐蚀溶液为3wt.％氢氧化四甲基铵+0.3wt.％过硫酸铵浓度。

9、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，浓度较高氢氧化四甲基铵为25wt.％.

10、根据权利要求1光纤定位槽、光斑转换器和光波导器件的一体化制作方法，其特征在于，其中，光斑转换器长度大于1000μm。

Images