DE68908583T2 - Gerät mit einem von einem Substrat getragenen optischen Wellenleiter und Verfahren zur Herstellung. - Google Patents
Gerät mit einem von einem Substrat getragenen optischen Wellenleiter und Verfahren zur Herstellung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft Einrichtungen mit einem substratgetragenen Wellenleiter, wie sie zum Beispiel in optischen Kommunikationssystemen verwendbar sind.
- Da die optische Kommunikation Eingang in das Gebiet der Teilnehmerschleifen- und lokalen Netzwerke findet, wird der Möglichkeit, substratgetragene Wellenleiter zum Bilden vordefinierter optischer Pfade in Kopplern und zwischen optischen Komponenteneinrichtungen, wie z.B. Lichtquellen und Detektoren auf einem gemeinsamen Substrat erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. In dieser Hinsicht werden Einrichtungen zum Bilden von Wellenleitern mit niedrigen Verlusten, die geeignet sind zum Seite-an-Seite-Koppeln als hochgradig erwünscht erachtet.
- Eine Anordnung zum Herstellen substratgetragener Wellenleiter wird in einem Artikel mit dem Titel "Ring Resonator Fabricated in Phosphosilicate Glass Films Deposited by Chemical Vapor Deposition" von A. Naumaan et al, diskutiert, der in dem Journal of Lightwave Technology, Band LT-4, Nr. 9, September 1986 auf den Seiten 1294 und folgende erschienen ist. Insbesondere beschreibt Naumaan et al ein Verfahren zum Bilden von Wellenleitern durch Abdecken eines Silicium-Wavers mit einer ersten Schicht eines thermischen Oxyds, gefolgt von einer Schicht an abgeschiedenem Oxyd, welche wiederum mit Phosphorsilikat bedeckt ist. Das Laminat wird dann geätzt und erhitzt, um die erwünschte Struktur zu bilden, die geätzte Phosphosilikatschicht bildet somit einen Wellenleiter.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder 2 definiert zur Verfügung gestellt.
- Bei der Herstellung optischer Einrichtungen und Anordnungen werden substratgetragene Wellenleiter für die Übertragung eines oder möglicherweise mehrerer optische Moden bereitgestellt. Bevorzugte optische Wellenleiter enthalten einen Kernbereich auf der ersten Mantelschicht, und derartige Wellenleiter haben eine geglättete Oberfläche oder eine Kern- Mantel-Grenzfläche mit einer zweiten darüberliegenden Mantelschicht. Weiterhin stellt ein bevorzugtes Kernprofil durch Einbeziehung einer Kern- Mantel-benetzenden Schicht einen glatten Übergang ohne wieder eintretende Ecken zwischen dem Kern und der ersten Mantelschicht zur Verfügung. Sich daraus ergebende Wellenleiter sind in eng benachbartem Seite-an-Seite- Verhältnis herstellbar, wie es für laterale (evanescente Feld) Kopplung zwischen Wellenleitern erwünscht ist.
- Fig. 1 ist eine schematische Aufsicht auf einen optischen Koppler als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit sübstratgetragenen Wellenleitern Seite-an-Seite; und
- Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Kopplers aus Fig. 1.
- Fig. 1 zeigt ein glasbedecktes Silicium-Substrat 11, substratgetragene Wellenleiterkerne 12 und 13 (zwischen ersten und zweiten Mantelschichten, wie in Fig. 2 dargestellt, und optische Fasern 14, 15, 16 und 17, die zu den Wellenleitern 12 und 13 ausgerichtet sind.
- Fig. 2 zeigt das Substrat 11, eine erste Wellenleiter- Mantelschicht 21 auf dem Substrat 11, Wellenleiterkerne 12 und 13 auf der Schicht 21 und eine zweite Mantelschicht 23.
- Anders als bei Silicium können Materialien, wie z.B. GruppeIII-V Halbleitermaterialien als Substratmaterialien dienen; in ähnlicher Weise können Isolationsmaterialien wie z.B. Quarzglas oder keramische Materialien verwendet werden. Die erste Wellenleiter-Mantelschicht 21 kann wie abgeschieden oder wie durch Substratoberflächenreaktion erhalten sein; beispielsweise kann im Falle eines Silicium-Substrats 21 die Schicht 21 eine "thermisch aufgewachsene" Silicium-Dioxyd-Schicht sein, wie sie durch thermische Oxydation des Substrat-Oberflächenmaterials erhalten wird. (Eine derartige Oxydation wird unter Dampf bei erhöhtem Druck bevorzugt.)
- Das Material der Wellenleiter 12 und 13 hat einen Brechungsindex, der für Wellenleiterzwecke höher ist als der Brechungsindex des Materials der Schicht 21. Wenn beispielsweise die Schicht 21 im wesentlichen aus Silicium-Dioxyd besteht, kann das Material der Wellenleiter 12 und 13 ein dotiertes, auf Quarzglas basierendes Glas sein, wie z.B. ein Phosphosilikatglas, wie es durch Einschluß von Phosphor-Pentoxyd als Dotierstoff erhalten wird. Unter alternativen Dotierstoffen befinden sich das im englischsprachigen Raum als "Germania" bezeichnete Germaniumoxyd und Titandioxyd; es bestehen ebenfalls einige geeignete Kombinationen mit mehr als einem Dotierstoff. Wo substratgetragene Wellenleiter mit optischen Fasern zu koppeln sind, sind die Wellenleiterbreite und -höhe vorzugsweise ungefähr dieselben; für einen bevorzugten Weg des Ausrichtens von Fasern zu Wellenleitern siehe die Patentanmeldung mit der Bezeichnung G.E. Blonder 10, "Device Including a Component in Alignment with a Substrate-supported Waveguide".
- Das Material der zweiten Mantelschicht 23 hat einen Brechungsindex, der niedriger ist als der Brechungsindex des Wellenleiter- Kernmaterials; zweckmäßigerweise kann das Material der Schicht 23 das gleiche sein wie das Material der Schicht 21. Die Schicht 23 kann ebenfalls weggelassen werden, wobei Luft als Material niedrigen Brechungsindex gegenüber dem Wellenleiter-Kernmaterial dient.
- Für optische Strahlung bei einer Wellenlänge bei oder nahe 1,3 Mikrometer (darunter ist ein ungefährer Bereich von 1,2 bis 1,6 Mikrometer zu verstehen), werden die nachfolgenden Abmessungen und Materialien bevorzugt: ein Silicium-Substrat, eine erste Silicium-Dioxyd-Mantelschicht mit einer Dicke von 10 bis 15 Mikrometern, ein Phosphosilikat-Wellenleiter mit ungefähr 5 Mikrometer Breite und 5 Mikrometer Dicke und eine zweite Quarzglas-Mantelschicht, die ungefähr 5 Mikrometer dick ist. Für andere Wellenlängen und insbesondere für kürzere Wellenlängen können die Abmessungen die Justierung im Interesse der Beschränkung auf eine erwünschte Anzahl optischer Moden erfordern. Bevorzugtes Phosphosilikatglas enthält Phosphor in einer Menge in dem Bereich von 6-8 Gewichts-%, Gläser mit weniger als 6 Gewichts-% haben eine Tendenz, Risse zu bekommen, und Gläser mit mehr als 8 Gewichts-% Phosphor tendieren dazu, hygroskopisch zu sein.
- Die Herstellung einer bevorzugten Wellenleiterstruktur bezieht die Abscheidung einer Schicht aus Wellenleiter-Kernglas auf die erste Mantelschicht, Abscheiden einer fotolithographischen Resistschicht auf dem Kernglas, Strukturieren der Resistschicht, um Anteile des Kernglases zum Entfernen freizulegen, Entfernen des freigelegten Glases, Aufbringen eines Kern-Mantel-benetzenden Agens, Glätten und Verrunden des Querschnitts des Wellenleiters durch Erhitzen und Abscheiden der zweiten Mantelschicht mit ein. In zweckmäßiger Weise kann die Abscheidung der Kern- und Mantelgläser durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Vorläufergasen wie z.B. von Silanen, TEOS oder DABS für Quarzglas und Phosphin für Phosphor-Pentoxyd durchgeführt werden.
- Vorzugsweise wird im Interesse positiver Steuerung der geätzten Wellenleiterdicke eine fotolithographische Dreilagen-Maskenschicht verwendet, die z.B. eine plasma-abgeschiedene Quarzglasschicht zwischen zwei organischen Resistschichten enthält. Nach der fotolithographischen Strukturierung der Maskenschicht freigelegtes Kernglas kann z.B. durch chemisches oder reaktives Ionenätzen entfernt werden und derartiges Ätzen kann typischerweise ebenfalls zur Entfernung eines geringen Anteils der ersten Mantelschicht führen. Vom Ätzen ist das Wellenleiter- Querschnittsprofil im wesentlichen quadratisch oder rechteckig.
- Nach dem Wellenleiterätzen und vor der Abscheidung des zweiten Mantels wird ein Wellenleiter-Glättungsschritt für die Zwecke sowohl longitudinaler als auch Querschnittsglättung der Wellenleiteroberfläche und zur Querschnittsverrundung des Wellenleiters mit einbezogen. Im Interesse des Verhinderns zurückkehrender bzw. einspringender Kanten zwischen dem Wellenleiter und der ersten Mantelschicht wird derartiges Glätten nach der Abscheidung eines benetzenden Agens auf dem strukturierten Wellenleiter durchgeführt; in zweckmäßiger Weise ist das Material dieser Schicht im wesentlichen das gleiche wie das Wellenleiter-Kernmaterial.
- Als Alternative zur Abscheidung des Wellenleiter-Kernmaterials zum Zwecke des Bildens einer benetzenden Schicht kann es möglich sein, das Wellenleiterätzen derart zu steuern, daß eine benetzende Schicht als resultierende Schicht des Wellenleiter-Kernmaterials auf der darunterliegenden ersten Mantelschicht erzeugt wird. In jedem Falle ist die Dicke einer benetzenden Schicht, deren Brechungsindex an dem Brechungsindex des Wellenleiter-Kernmaterials angepaßt ist, im Interesse des lateralen Einschlusses der in dem resultierenden Wellenleiter voranschreitenden Strahlung und der Minimierung von Verlusten zum Substrat beschränkt. In dieser Hinsicht ist die bevorzugte benetzende Schichtdicke, wie sie in der Wellenleiterstruktur verkörpert ist, geringer als 1 Mikrometer und vorzugsweise geringer als 0,5 Mikrometer.
- Bevorzugtes Glätten dient dazu, verfahrensinduzierte Wellenleiteroberflächen-Rauhigkeit und -Welligkeit zu reduzieren, von welchen beide direkt zu optischen Verlusten bei der Wellenleiterverwendung führen. Das Glätten kann ebenfalls ferner zum Verdichten des Wellenleiter- Kernglases durch Gestatten, ungewollt eingefangene Gase entweichen zu lassen, dienen, was zur Verlustreduktion beiträgt.
- Glätten und Verdichten kann durch Anheben der Temperatur des Wellenleitermaterials über seine Fließtemperatur, z.B. in einer Dampfatmosphäre, erreicht werden. (Die Fließtemperatur hängt von der Glasübergangstemperatur ab; z.B. ist für Phosphosilikatgläser die Fließtemperatur ungefähr 300º C oberhalb der Glasübergangstemperatur. Für weitere Details in dieser Hinsicht siehe K. Nassau et al "Modified Phosphosilicate Glasses for VLSI Applications", Journal of the Electrochemical Society, Band 132 (1985), Seiten 409-415.) In Abhängigkeit von dem Wellenleitermaterial ist Sorgfalt ebenfalls angezeigt, um sicherzustellen, daß die Temperatur unterhalb einer kritischen Temperatur bleibt - unterhalb welcher die Wellenleitertransparenz nachteilig z.B. aufgrund von Phasentrennungen beeinflußt werden kann. Beispielsweise ist in dem Fall von Phosphosilikatglas, das 6 bis 8 Gewichts-% Phosphor enthält, die Temperatur vorzugsweise auf Temperaturen beschränkt, die eine Temperatur von ungefähr 1100º C nicht signifikant überschreiten. Der Wärmebehandlung folgend wird das Wellenleiter-Kernglas abgekühlt.
- Wegen des glatten Profils und des Fehlens eintretender Kanten zwischen Wellenleiterkern und Mantel sind erfindungsgemäße Wellenleiter insbesondere bei der Herstellung evanescenter Feld-Koppler, wie sie in optischen Kommunikationssystemen enthalten sein können, interessant. Weiterhin können in derartigen Systemen erfindungsgemäße Wellenleiter zur optischen Verbindung von substratgetragenen Lichtquellen und Detektoren, z.B. in Zweiwegübertragung durch einen gemeinsamen Port in Sternkopplern und für Filter, Reflektoren und Resonatoren, z.B. bei lokalen Netzwerkanwendungen dienen. (Filter, Reflektoren, Resonatoren und ähnliches mehr kann die örtlich festgelegte Einbringung von Brechungsgittern, z.B. an der Grenzfläche zwischen der ersten Mantelschicht und dem Wellenleiterkern oder an der Grenzfläche zwischen dem Wellenleiterkern und der zweiten Mantelschicht umfassen.)
- Neben anderen Einrichtungen wird an resonante Ringgyroskope gedacht, in welchen riiedrige Verluste in substratgetragenen Wellenleitern besonders erwünscht sind.
- Auf einem 10-Zentimeter-Silicium-Substrat mit einer Dicke von ungefähr 0,5 Millimeter wurde eine 10-Mikrometer-Schicht aus Silicium- Dioxyd durch Hochdruckoxydation und per Dampf aufgewachsen. Auf der aufgewachsenen Schicht wurde eine zusätzliche 5-Mikrometer-Schicht aus Quarzglas (Silika-Glas) durch Standard-Niedrigdruck-Chemische- Gasphasenabscheidung (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) unter Verwendung von Silanen und Sauerstoff bei einer Temperatur von ungefähr 400º C und einem Druck von ungefähr 0,5 Torr (67 Pa) aufgewachsen.
- Auf der Quarzglasschicht wurde eine Phosphosilikatglasschicht durch das gleiche Verfahren unter weiterer Verwendung von Phosphin abgeschieden. Der Phosphorgehalt des abgeschiedenen Glases betrug ungefähr 6,5 Gewichts-% und die Schichtdicke betrug ungefähr 4 Mikrometer. Das abgeschiedene Phosphosilikatglas wurde bei einer Temperatur von ungefähr 1000º C über 60 Minuten in strömendem Stickstoff verdichtet.
- Ein 6-Zentimeter-Wellenleiter wurde aus der abgeschiedenen Phosphosilikatschicht durch reaktives Ionenätzen (Reactive Ion Etching, RIE) in der Anwesenheit einer strukturierten Dreischichtenmaske geätzt, die wie abgeschieden aus einer ungefähr 3 Mikrometer dicken Bodenschicht aus organischem Resistmaterial, einer ungefähr 0,24 Mikrometer dicken Zwischenschicht aus plasma-abgeschiedenem Silicium-Dioxyd und einer ungefähr 0,7 Mikrometer dicken organischen Oberschicht bestand. Durch das Ätzen betrug die Wellenleiterbreite ungefähr 6 Mikrometer.
- Auf dem geätzten Wellenleiter wurde eine 0,3-Mikrometer-Schicht aus Phosphosilikatglas derselben Zusammensetzung wie das Kernmaterial als benetzende Schicht abgeschieden und die sich ergebende Struktur wurde durch Erhitzen auf eine Temperatur von ungefähr 1100º C über 60 Minuten in strömendem Stickstoff geglättet. Auf dem geglätteten Wellenleiter wurde eine 5-Mikrometer-Schicht undotierten Quarzglases durch chemische Niedrigdruck-Gasphasenabscheidung unter den vorstehenden Bedingungen abgeschieden und die abgeschiedene Quarzglasschicht wurde durch Erhitzen auf eine Temperatur von ungefähr 1000º verdichtet.
- Die optischen Verluste des Wellenleiters wurden für 1,3 Mikrometer-Strahlung experimentell bestimmt; der totale Verlust, einschließlich Einkopplungs- und Auskopplungsverluste ergab sich zu 1,2 dB. Dementsprechend waren die Verluste pro Einheitslänge des Wellenleiters geringer als 0,2 dB/cm.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung mit einem
substratgetragenen Wellenleiter, wobei das Verfahren die Schritte
enthält:
(a) Bilden eine Wellenleiter-Mantelschicht (21) über einer
Hauptoberfläche eines Substrats (11),
(b) Abscheiden einer Schicht des Wellenleiter-Kernmaterials (12) über
der Wellenleiter-Mantelschicht,
(c) selektives Entfernen von Anteilen der Schicht aus Kernmaterial, um
ein Muster zu erzeugen, das den Wellenleiter enthält,
(d) Abscheiden einer benetzenden Schicht (22) auf dem verbleibenden
Kernmaterial und wenigstens einem Teil der dem Kernmaterial
benachbarten Wellenleiter-Mantelschicht und
(e) Glätten des Wellenlelters durch Erhitzen und dadurch Schmelzen der
benetzenden Schicht.
2. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung mit einem
substratgetragenen Wellenleiter, wobei das verfahren die Schritte
enthält:
(a) Bilden einer Wellenleiter-Mantelschicht (21) über einer
Hauptoberfläche eines Substrats (11),
(b) Abscheiden einer Schicht aus Wellenleiter-Kernmaterial (12) über
der Wellenleiter-Mantelschicht,
(c) selektives Entfernen von Anteilen der Schicht aus Kernmaterial, um
ein den Wellenleiter enthaltendes Muster zu erzeugen,
(d) Bereitstellen einer zurückgebliebenen Schicht auf dem Kernmaterial
als benetzende Schicht (22) auf dem verbleibenden Kernmaterial und auf
wenigstens einem Teil der Wellenleiter-Mantelschicht in der Nähe des
Kernmaterials und
(e) Glätten des Wellenleiters durch Erhitzen und dadurch Schmelzen der
benetzenden Schicht.
3. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung gemäß Anspruch 1, in
welchem der Schritt (d) eine benetzende Schicht mit einem Material,
das im wesentlichen das gleiche wie das Material des Wellenleiterkerns
ist, verwendet.
4. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in
welchem der Formungsschritt (a) umfaßt, daß die Wellenleiter-
Mantelschicht auf einem Siliziumkörper abgeschieden wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in
welchem der Formungsschritt (a) umfaßt, daß eine Schicht aus
Siliciumdioxyd als Wellenleiter-Mantelschicht abgeschieden wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in
welchem der Abscheidungsschritt (b) umfaßt, daß eine Schicht aus
Phosphosilikatglas abgeschieden wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in
welchem der Formungsschritt (a) umfaßt, daß ein keramisches Substrat
bereitgestellt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 7, in
welchem die Keramik geschmolzenes Silikatglas ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in
welchem das Verfahren ferner den Schritt umfaßt:
(f) Abscheiden einer äußeren Wellenleiter-Mantelschicht über der
benetzenden Schicht.
10. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 9, in
welchem der Abscheidungsschritt (f) umfaßt, daß eine Schicht aus
Silikatglas abgeschieden wird.
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