CN1776469A

CN1776469A - 用于光传输的光芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN1776469A
Application number: CNA2005100074684A
Authority: CN
Inventors: 前田明雄
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-05-24
Also published as: JP2006145902A; FR2878340A1; US20060110095A1; FR2878340B1

Abstract

本发明提供了一种用于光传输的光芯片及其制造方法。光芯片具有由电介质晶体制成的衬底。在衬底上沿着与衬底的平坦表面垂直的平行平面定义出多个表面。基于无机材料的扩散，沿着衬底的平坦表面在衬底中形成光波导。在衬底的平坦表面上形成凹口，使得光波导的末端位于从所述平面缩进的位置。例如基于刻蚀工艺，可以容易地形成衬底的凹口。基于刻蚀工艺，可以容易地在光波导的末端建立平坦表面。在与连接到光波导的光纤接触处，可以最大限度地防止光损耗。

Description

用于光传输的光芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及制造例如被用于诸如光调制器之类的光发射/接收装置的用于光传输的光芯片的方法。

背景技术

如日本专利申请公开No.2002-22993中所公开的，用于光传输的光芯片包括光波导。在光芯片的生产过程中，由树脂制成的光波导形成在晶片上。包覆层和保护层覆盖在晶片和光波导上。基于划片工艺，光波导和包覆层随后在晶片上被切割为预定的形状。光波导的末端在切割面被暴露出。晶片然后被切割并分开。

光波导的末端在切割面被暴露出。例如由于与划片刀的刮擦，经常在切割面上形成划痕。光波导的末端中的划痕引起基于光漫射的光损耗。可以在切割面上进行研磨或者抛光工艺，以消除划痕。但是，如果研磨颗粒的尺寸被最小化以实现划痕的消除，则需要更多的时间来完成该研磨工艺。生产率被降低了。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供用于光传输的光芯片，其能够容易地在光波导的末端建立严格平坦的表面。

根据本发明的第一个方面，提供了一种光芯片，包括：由电介质晶体制成的衬底，该衬底定义出沿着与衬底的平坦表面垂直的平行平面的多个表面；光波导，该光波导基于无机材料的扩散，沿着衬底的平坦表面被形成在衬底中；和凹口，该凹口形成在衬底的平坦表面上，使得光波导的末端位于从所述平面缩进的位置。

例如基于刻蚀工艺，可以容易地形成衬底的凹口。基于刻蚀工艺，可以容易地在光波导的末端建立平坦表面。例如，在与连接到光波导的光纤接触处，可以最大限度地防止光损耗。凹口例如可以包括从所述平面延伸的凹槽。

根据本发明的第二个方面，提供了一种制造光芯片的方法，包括：准备由电介质晶体制成的晶片；从晶片的平坦表面扩散无机材料，以沿着晶片的平坦表面在晶片中形成光波导；以及使晶片的表面经历刻蚀工艺，以形成沿着与光波导垂直的参考平面的表面。

该方法使得能够基于刻蚀工艺，沿着与光波导垂直的参考平面进行切割。在参考平面内，光波导的末端暴露在平坦表面处。可以容易地在光波导的末端建立光滑表面。

该方法还可以包括：在晶片的平坦表面上形成跨越光波导的凹槽，以便形成所述表面；以及沿着假想平面切割晶片，所述假想平面处在凹槽中光波导彼此相对的末端之间所定义出的间隔中。

该方法使得能够例如防止划片刀与光波导之间的接触。可以可靠地在光波导的末端防止裂缝或划痕的产生。此外，该过程可以在更短的时间段中完成。可以缩短加工周期。

附图说明

结合附图，从下面的对优选实施例的说明，本发明的上述及其他目的、特征和优点将变得清楚，附图中：

图1示意性地图示了根据本发明第一实施例的光调制器的结构；

图2是示意性地图示了根据本发明的作为一个具体示例的用于光传输的光芯片的结构的局部放大立体图；

图3是示意性地图示了光芯片结构的平面图；

图4是沿图3中的线4-4取得的截面图；

图5是示意性地图示了在制造光芯片的方法中所使用的晶片的平面图；

图6是沿图5中的线6-6取得的放大的截面图，用于示意性地图示晶片上的图案中的光刻胶膜；

图7是晶片的平面图，用于示意性地图示形成光波导的工艺；

图8是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示针对Ti层的湿法刻蚀工艺；

图9是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示Ti原子的扩散；

图10是晶片的平面图，用于示意性地图示光刻胶中的图案化的空隙；

图11是晶片的局部放大立体图，用于示意性地图示光刻胶中所定义的凹槽；

图12是晶片的局部放大立体图，用于示意性地图示晶片中所定义的凹槽；

图13是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示光刻胶中的图案化的空隙；

图14是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示在第一Au层和Ti层中形成的凹槽；

图15是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示在光刻胶周围形成的第二Au层；

图16是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示在光刻胶周围形成的第三Au层；

图17是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示填充在第一到第三Au层和Ti层中所形成的凹槽中的光刻胶；

图18是晶片的局部放大截面图，用于示意性地图示信号电极和地电极；

图19是晶片的平面图，用于示意性地图示沿与光波导平行的平行假想平面进行的切割；

图20是晶片的平面图，用于示意性地图示沿在与光波导垂直的方向上的一对平行的假想平面进行的切割；

图21是用于示意性地图示光芯片的端面的放大的立体图；

图22示意性地图示了根据本发明第二实施例的光调制器的结构；

图23是光芯片的局部放大立体图，用于示意性地图示光纤在凹口中的安装；

图24是光芯片的局部放大立体图，用于示意性地图示本发明的修改示例；以及

图25是光芯片的局部放大立体图，用于示意性地图示本发明的另一个修改示例。

具体实施方式

图1示意性地图示了根据本发明第一实施例的光发射/接收装置或者光调制器11的结构。光调制器11例如是所谓的Mach-Zehnder型调制器。光调制器11包括外壳12。入口光纤13a和出口光纤13b被插入外壳12中。套管14安装到各个光纤13a、13b的末端，以便帮助入口和出口光纤13a、13b的插入。套管14可以例如由玻璃材料制成。套管14可拆卸地耦合到相应的连接器15。光纤13a、13b排列在一条共同的直线上。如通常公知的，各个光纤13a、13b包括芯、被设计为围绕芯的包覆层以及被设计为覆盖包覆层的覆盖层。

外壳12容纳用于光传输的光芯片16。光芯片16位于光纤13a、13b之间。光芯片16包括主体17、沿着主体17的平坦表面形成的光波导18。主体17例如是平板形状的。主体17定义出在与主体17的平坦表面垂直的平面中延伸的一对端面17a、17b。光波导18被设计为在端面17a、17b之间在主体17的纵向上延伸。光波导18允许穿过主体17传输光。

光波导18的末端连接到光纤13a、13b。光波导18的形心对准在光纤13a、13b的纵轴上。光波导18包括输入路径18a和输出路径18b，这两者都被定义在一条共同的直线上。输入和输出路径18a、18b通过第一和第二支路18c、18d彼此连接。支路18c、18d在分叉点19、21处从输入和输出路径18a、18d分支。第一和第二支路18c、18d可以互相平行地延伸。

透镜22被结合在光纤13a与芯片16的端面17a之间以及芯片16的端面17b与光纤13b之间。透镜22用于将来自光纤13a末端的光汇聚在光波导18的末端上。类似地，透镜22用于将来自光波导18末端的光汇聚到光纤13b的末端。

可选地，光电二极管23位于主体17的端面17b与透镜22之间。光电二极管23用于将来自光波导18末端的光变换为电信号。基于该电信号，可以监测来自光波导18的光的状况。

如图2所示，凹口24形成在主体17的平坦表面上。凹口24用于将输入和输出路径18a、18b的末端定位在从端面17a、17b缩进的位置。凹口24可以是从各个端面17a、17b延伸的凹槽。这里，光波导18的末端位于与主体17的平坦表面垂直的平坦表面25上。

如图3所示，信号电极26形成在主体17的平坦表面上。信号电极26被设计为在第一支路18c上延伸。第一和第二地电极27、28以类似的方式形成在主体17的平坦表面上，彼此的位置隔开。信号电极26位于第一和第二地电极27、28之间的间隔中。第一地电极27被设计为在第二支路18d上延伸。这些电极26、27、28的一端连接到信号源29。电极26、27、28的另一端连接到端接器31。信号源29向信号电极26提供电信号。

如图4所示，光芯片16的主体17包括衬底32。衬底32例如由诸如LiNbO₃之类的电介质晶体制成。衬底23被设计为沿着预定平面延伸。前述光波导18被形成在衬底32中。例如基于诸如Ti之类的无机材料的热扩散，光波导18沿着衬底32的平坦表面形成在衬底32中。

主体17包括在衬底32平坦表面上延伸的SiO₂层33。光波导18因此介于SiO₂层33与衬底32之间。SiO₂层33用作缓冲层。主体17还包括在SiO₂层33表面上延伸的Si层34。Si层34被设计为同时覆盖衬底32的侧面和背面。Si层34在其平坦表面接纳上述信号电极26以及第一和第二地电极27、28。电极26、27、28可以例如由诸如Au之类的导电材料制成。Ti层35介于电极26、27、28与Si层34之间。

在第一地电极27与信号电极26之间定义了预定间隔36。类似地，在信号电极26与第二地电极28之间定义了预定间隔37。第二地电极28从而以预定距离与信号电极26间隔开。如从图3可以清楚看到的，间隔36、37的端部到达与光波导18平行延伸的主体17的侧表面。

下面，将对光调制器11的操作作出简要说明。当来自光源的光通过入口光纤13a输入到外壳12中时，输入的光在透镜22处被汇聚，以到达光波导18或者输入路径18a的末端。接着，输入光在分叉点19处分支到第一和第二支路18c、18d。输入光在分叉点19处基本上被分为两半。分出的光被引入第一和第二支路18c、18d。

另一方面，电信号从信号源29输入到信号电极26。基于电信号，电场作用在第一支路18c上。于是在第一支路18c中，对输入光的折射率发生变化。所谓的电光效应用于在第一和第二支路18c、18d之间引入相移。相移对应于电信号的值“1”和“0”。通过第一和第二支路18c、18d引导的光在分叉点21处被组合。

相位差引起在分叉点21处的组合光的双态。光被分为被引导到输出路径18b的输出光和透入到主体17的衬底32中的漏光。来自输出路径18b末端的输出光通过透镜22照射到出口光纤13b中。出口光纤13b用于将输出光或者光信号朝向目标目的地传输。在目标目的地，基于输出光的强度可以读出信息数据。

前述光调制器11允许光波导18的末端在凹口24中从端面17a、17b缩进的位置处露出。凹口24可以例如基于刻蚀工艺容易地形成，如后面所详细描述的。基于刻蚀工艺，可以在光波导18的末端建立光滑表面。在与光纤13a、13b接触处，最大限度的防止了光损耗。

下面，将详细地对制造光芯片16的方法作出说明。如图5所示，首先准备晶片41。晶片41例如由诸如LiNbO₃之类的电介质晶体制成。晶片41对应于主体17的衬底32。

如图6所示，在晶片41的整个前平坦表面上形成无机材料层或者Ti层42。晶片41被放在蒸镀装置的室(未示出)中。Ti的纯度被设置为4N。在室中设置例如大约6.6×10^-4[Pa]的真空。Ti层42的厚度例如被设置为大约100nm。在Ti层42建立之后，从室中取出晶片41。

对Ti层42的整个表面涂覆光刻胶43。光刻胶43的厚度例如被设置为大约1μm。光刻胶43在适当的掩膜下被曝光和显影。结果，光刻胶膜43a被形成为预定的图案，如图7所示。各个光刻胶膜43a被设计为反映出光波导18的图案。具体地说，光刻胶膜43a包括在一条共同的直线上在彼此分隔开的位置上延伸的部分，以及在上述共同直线上的部分之间在平行的直线上延伸的成对的部分。平行直线上的部分使共同直线上的部分的内端处形成分支，使得内端彼此连接。Ti层42的表面在光刻胶膜43a周围露出。

然后在Ti层42上实施湿法刻蚀工艺。光刻胶膜43a周围的Ti层42被去除。如图8所示，Ti层42从而以预定图案保留在晶片41的表面上。然后从晶片41的表面取出光刻胶膜43a。

晶片41然后被放入扩散装置的室(未示出)中。晶片41在室中以1,000摄氏度被加热10小时。纯氧气以每分钟10升的量循环穿过室。如图9所示，Ti原子于是扩散到晶片41的前平坦表面中。基于Ti原子的扩散，光波导44以这种方式被形成为沿晶片41的前平坦表面在晶片41中延伸。然后从室中取出晶片41。

如图10所示，光波导44包括在一条直线上在彼此间隔开的位置延伸的一对直线部分44a、44b。一对平行的分支直线部分44c、44d从直线部分44a、44b的内端分支。分支直线部分44c、44d从而将直线部分44a、44b的内端彼此连接。

然后对晶片41的整个表面涂覆光刻胶45。光刻胶45的厚度例如被设置为大约15μm。光刻胶45被曝光和显影。结果，在光刻胶膜45a中形成图案化的空隙46。如从图10可以清楚看到的，空隙46被设计为跨越光波导44的直线部分44a、44b。在图案化的空隙46的底部露出晶片41的表面。

然后对晶片41实施干法刻蚀工艺。这里，进行反应离子刻蚀(RIE)。晶片41被放入干法刻蚀装置的室(未示出)中。例如，Ar气和C₃F₈气的混合气体被用作反应气体。高频电源的天线输出被设置在1,200W。偏置电源的偏置输出被设置在200W。室中的压力设置在0.25[Pa]。冷却器中的温度被设置在大约-10摄氏度。刻蚀工艺进行1到3个小时。

由于室中的反应气体的等离子体，离子碰撞光刻胶45的表面。同时，由于反应气体，在晶片41的表面发生化学反应。以这种方式，图案化的空隙46中的晶片41的材料被去除。然后从室中取出晶片41。之后，从晶片41的表面去除光刻胶膜45a。从而在晶片41的前平坦表面上，在图案化的空隙46中，形成凹槽47，如图12所示。凹槽47被设计为在直线部分44a、44b处跨越光波导44。沿着与光波导44垂直的参考平面在凹槽47中定义出平坦表面48、48。然后沿着平坦表面48，在光波导44的末端切割出端面49。

如图13所示，然后在晶片41的表面上形成SiO₂层52。晶片41被放入溅射装置的室(未示出)中。SiO₂层52的厚度例如可以被设置为大约1μm。之后，从室中取出晶片41。晶片41然后在一个室中以600摄氏度被加热10小时。纯氧气以每分钟10升的量循环穿过室。

然后在Si0₂层52的表面和晶片41的背面上形成Si层53。晶片被放入蒸镀装置的室(未示出)中。在室中设置例如大约1[Pa]的真空。Si层53的厚度例如被设置为大约100nm。在Si层53建立之后，从室中取出晶片41。

随后在Si层53的表面上按顺序形成Ti层54和第一Au层55。晶片41被放入蒸镀装置的室(未示出)中。在室中设置例如为大约6.6×10-4[Pa]的真空。Ti的纯度被设置为4N。Ti层54的厚度例如被设置为大约50nm。Au的纯度被设置为等于或大于4N。第一Au层55的厚度例如被设置为大约200nm。然后，从室中取出晶片41。

之后，对第一Au层55的整个表面涂覆光刻胶56。光刻胶56的厚度例如被设置为大约1μm。光刻胶56被曝光和显影。结果，在光刻胶膜56中以预定图案形成图案化的空隙57、58。空隙57的轮廓对应于前述间隔36的轮廓。类似地，空隙58的轮廓对应于前述间隔37的轮廓。

第一Au层55和Ti层54随后经历湿法刻蚀工艺。在空隙57、58中的Au层55和Ti层54被去除。凹槽57a、58a被形成在Au层55和Ti层54中。光刻胶55然后被去除。如图14所示，在凹槽57a、58a中露出Si层53的表面。第一Au层55和Ti层54勾画出前述间隔36、37的形状。

之后，对晶片41的整个表面涂覆光刻胶。光刻胶的厚度例如被设置为大约13μm。光刻胶经历曝光和显影。结果，形成预定图案的光刻胶膜59，如图15所示。光刻胶膜59立在凹槽57a、58a中。然后基于覆镀工艺，在光刻胶膜59周围形成第二Au层61。第二Au层61的厚度例如被设置为大约4μm。光刻胶膜59然后被去除。

如图16所示，在光刻胶62曝光和显影之后，在第二Au层61上形成第三Au层63。光刻胶62立在形成于第二和第一Au层61、55和Ti层54中的凹槽57a、58a中。第三Au层63的厚度例如被设置为大约13μm。实施覆镀工艺，以形成第三Au层63。第三Au层63的厚度例如被设置为大约13μm。光刻胶62然后被去除。

之后，对晶片41的表面涂覆光刻胶64。光刻胶64的厚度例如被设置为大约14μm。光刻胶64经历曝光和显影。结果，形成预定图案的光刻胶64，如图17所示。光刻胶64填充到形成于第三到第一Au层63、61、55和Ti层54中的凹槽57a、58a之外。

第三到第一Au层63、61、55和Ti层54然后基于光刻胶64，经历湿法刻蚀工艺。从而形成第一和第二地电极27、28的侧表面。光刻胶64然后被去除。如图18所示，信号电极26以及第一和第二地电极27、28以这种方式被形成在晶片41的表面上。

如图19所示，晶片41沿着平行的假想平面被切割。假想平面65被定义为与光波导44平行。可以使用金属刀片。如此形成光芯片16的侧表面。

如图20所示，晶片41然后沿着一对平行的假想平面66、66被切割，这对平行的假想平面66、66被定义在凹槽47中的彼此相对的平坦表面48之间的间隔中，即在光波导44的端面49之间。假想平面66可以被定义为与光波导44垂直。可以使用树脂金刚石刀片。如图21所示，从而形成各个光芯片16的端面17a、17b。

然后，Si层(未示出)被形成在各个光芯片16的侧表面上。Si层的厚度例如可以被设置为大约100nm。光芯片16的平坦表面17a、17b然后经历AR(抗反射)涂层工艺。以这种方式可以获得光芯片16。

前述方法使得能够例如基于诸如反应离子刻蚀之类的刻蚀工艺，切割光波导44上的端面49。基于刻蚀工艺，可以在光波导44的末端处建立光滑表面。

另外，通过沿着在凹槽44内的光波导44的端面49之间的假想平面66进行切割，晶片41被划分为多个光芯片16。结果，可靠地防止了光波导44的末端与刀片接触。可以可靠地防止在光波导44的端面49产生裂缝和划痕。此外，可以用更短的时间实现切割。加工时间可以被缩短。

另一方面，在传统方法中用刀片将晶片切割成光芯片时，晶片的沿着与光波导垂直的直线的表面被粘贴保护件。刀片在保护件上移动。保护件用于防止光芯片前平坦表面处的裂缝。但是，在切割面处，刀片与光波导的末端相接触，使得基于刀片与光波导末端之间的摩擦，在切割面上形成划痕。随后应在切割面上实施抛光或者研磨工艺。此外，由于来自刀片的应力，会在切割面出现裂缝。由于保护件的粘贴，切割面还受到污染。不能避免在光波导端面处的光损耗。

在上述方法中，可以在形成Si层53之后，在形成Ti层54之前，形成凹槽47。或者，可以在形成信号电极26以及第一和第二地电极27、28之后，在将晶片41分割为光芯片16之前，形成凹槽47。

图22示意性地图示了根据本发明第二实施例的光调制器11a的结构。该光调制器11a允许直接将光纤13a、13b安装到光芯片16上。具体地说，套管14的末端直接被接纳在光芯片16上，而不用任何连接器。可以从光调制器11a上省略连接器15、透镜22和光电二极管23。

如图23所示，套管14被接纳在光调制器11a的凹口24中。光纤13的末端可以与光波导18的末端相接触。光纤13a、13b的纵轴与光波导18的形心对准。前述方法可以用于形成这种类型的光芯片16。类似的参考标号加在与上述第一实施例等同的结构或部件上。

光调制器11a使得能够直接在光芯片16的凹口24中接纳套管14。凹口24用于相对于光波导18定位光纤13a、13b。结果，光纤13a、13b的轴可以容易地与光波导18的形心对准。可以在更短的时间段内完成光纤13a、13b的对准。此外，以上述方式，在光波导的末端可靠地防止了光损耗。如图24所示，凹口24可以随着离端面17a、17b越远而缩窄。前述方法可以被用于制造这种类型的光芯片16。

如图25所示，可以在主体17的平坦表面上形成台阶71来代替凹口24。台阶71可以沿着端面17a、17b在与光波导18垂直的方向上延伸。前述方法可以被用于形成这种类型的光芯片16。在该方法中，凹槽47例如可以在晶片41上延伸跨越平行光波导44。

Claims

1.一种光芯片，包括：

由电介质晶体制成的衬底，所述衬底定义出沿着与所述衬底的平坦表面垂直的平行平面的多个表面；

光波导，所述光波导基于无机材料的扩散，沿着所述衬底的所述平坦表面被形成在所述衬底中；和

凹口，所述凹口形成在所述衬底的所述平坦表面上，使得所述光波导的末端位于从所述平面缩进的位置。

2.根据权利要求1所述的光芯片，其中，所述凹口包括从所述平面延伸的凹槽。

3.一种制造光芯片的方法，包括：

准备由电介质晶体制成的晶片；

从所述晶片的平坦表面扩散无机材料，以沿着所述晶片的所述平坦表面在所述晶片中形成光波导；以及

使所述晶片的所述表面经历刻蚀工艺，以形成沿着与所述光波导垂直的参考平面的表面。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

在所述晶片的所述平坦表面上形成跨越所述光波导的凹槽，以便形成所述表面；以及

沿着假想平面切割所述晶片，所述假想平面处在所述凹槽中所述光波导彼此相对的末端之间所定义出的间隔中。