DE69817474T2 - Herstellung von sich verjüngenden Wellenleitern(Taper) - Google Patents

Herstellung von sich verjüngenden Wellenleitern(Taper)

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DE69817474T2
DE69817474T2 DE1998617474 DE69817474T DE69817474T2 DE 69817474 T2 DE69817474 T2 DE 69817474T2 DE 1998617474 DE1998617474 DE 1998617474 DE 69817474 T DE69817474 T DE 69817474T DE 69817474 T2 DE69817474 T2 DE 69817474T2
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Description

  • Erfindungsgebiet
  • [0001]
    Die Erfindung betrifft verjüngte Wellenleiter für planare photonische integrierte Schaltungen und Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • [0002]
    Wellenleiter in photonischen integrierten Schaltungen sind in einer Reihe von Formen vorgeschlagen worden, doch meist in Form eines dotierten Kerns, an den an den Seiten und am Boden geeignetes Claddingmaterial angrenzt. Das Claddingmaterial wird so gewählt, daß sein Brechungsindex geringer ist als der des Kerns, wodurch ein kanalförmiger Lichtleiter ausgebildet wird. Die meisten Konfigurationen enthalten eine obere Claddingschicht.
  • [0003]
    Eine Struktur, die in jüngster Zeit viel Interesse hervorgerufen hat, wird gemäß der typischen Lichtwellenleiterstruktur strukturiert, d. h. ein dotierter Siliziumoxidkern mit einem Siliziumoxidcladding, und wird unter Verwendung von Techniken hergestellt, die in der Lichtwellenleitertechnologie entwickelt wurden, z. B. Flame Hydrolysis Deposition (FHD). Die bevorzugte Plattform oder das bevorzugte Substrat für diese Wellenleiter ist ein Siliziumwafer. Die Kompatibilität der Materialien der optischen Faser mit der planaren integrierten Schaltung gestattet gemeinsame Bearbeitungsansätze. Außerdem kann man mit dieser Kombination aufgrund der Anpassung thermomechanischer, chemischer und optischer Eigenschaften eine effizientere und zuverlässigere Ankopplung zwischen dem Eingang/Ausgang der optischen Faser erhalten.
  • [0004]
    Die Technologie photonischer integrierter Schaltungen hat das gleiche Hauptziel wie die Halbleitertechnolo gie, d. h. das Packen mehrerer Elemente oder Bauelemente in einen kleinen Raum. Elektrische Leitungen werden in Halbleiterbauelementen relativ ohne Einschränkung verlegt, da elektrische Verbindungszüge mit scharfen Biegungen hergestellt werden können. Bei photonischen integrierten Schaltungen ist der zulässige Biegeradius ein wichtiges Thema, da er die mögliche Packungsdichte von Komponenten stark beeinflusst. Wenn eine bestimmte Wellenleiterindexstufe oder ein bestimmter Wellenleiterindexgradient gegeben ist, steigt allgemein der in die photonische Schaltung durch den gebogenen Teil eines Wellenleiters eingeführte Verlust mit abnehmendem Krümmungsradius an. Bei einer bestimmten Wellenleiterindexstufe oder einem bestimmten Wellenleiterindexgradienten ist der Biegeradius eines Wellenleiters somit auf einen Wert begrenzt, durch den sich Verluste ergeben, die in der Ökonomie der Schaltung annehmbar sind. Bei einer gegebenen „Verlustbilanz" steigt die potentielle Packungsdichte von Komponenten, falls die Wellenleiterindexstufe oder der Wellenleiterindexgradient zunimmt.
  • [0005]
    Bei photonischen integrierten Single-Mode-Schaltungen ist der zulässige Biegeradius für den Indexgradienten zwischen dem Kern und den Claddingmaterialien und auch für die Größe des Wellenleiters empfindlich. Bei Wellenleitern mit einem hohen Brechungsindexdelta ist die optimale Kerngröße für einen Single-Mode-Wellenleiter erheblich geringer als die Kerngröße einer typischen optischen Faser. Dieser Unterschied bei der Kerngröße hat wichtige Implikationen beim Kopplungswirkungsgrad zwischen dem Kern des Wellenleiters der planaren integrierten Schaltung und dem Kern der an der integrierten Schaltung angebrachten Eingangs-/Ausgangsfaser. Der Kopplungsverlust zwischen der Faser und der planaren IS wird minimiert, wenn die Mode des Lichtstrahls beibehalten wird, d. h. wenn die Faser und die IS angepaßte optischen Moden aufweisen. Für die Faser und den Wellenleiter mit dem gleichen Indexdelta erhält man dies durch Anpassen der Kerngröße. Um die Einfügungsdämpfung zu minimieren, besteht das allgemein bevorzugte Ziel folglich darin, angepaßte Kerngrößen zu haben. Dies scheint sich jedoch mit den anderen wichtigen Zielen nicht vereinbaren zu lassen, nämlich die Standardkerngröße für die optische Faser beizubehalten und eine geringere Kerngröße für die planare integrierte Schaltung zu verwenden.
  • [0006]
    Zur Überwindung der Kerngrößendifferenz wurde vorgeschlagen, im Gebiet der planaren integrierten Schaltung an der Kopplung zwischen dem planaren Wellenleiter und der Faser einen Übergangswellenleiterabschnitt herzustellen. Bei diesem Übergangsabschnitt ist der Kern des planaren Wellenleiters verjüngt, so daß der Querschnitt des Kerns des Wellenleiters dem Querschnitt des Kerns der Faser gut entspricht. Hinter dem verjüngten Abschnitt ist die Querschnittsfläche des Kerns des Wellenleiters in Richtung der planaren integrierten Schaltung reduziert, damit die optimalen Abmessungen für die planaren Wellenleiterkerne erfüllt sind.
  • [0007]
    Eine Struktur eines planaren Wellenleiters, die zur Implementierung dieses Konzepts ausgelegt ist, ist im Journal of Lightwave Technology, Band 10, Nr. 5, S. 587–591, Mai 1992, beschrieben. Bei diesem Referat wird eine Technik zum Verjüngen des Kerns des planaren Wellenleiters vorgeschlagen, bei der Flame Hydrolysis Deposition (FHD) verwendet wird. Nachdem die Claddingschicht auf dem Substrat auf normale Weise abgeschieden worden ist, wird der Kern hergestellt, indem die FHD-Flamme unter gleichzeitiger Modulierung der Zusammensetzung der dem Brenner zugeführten Gase über das Substrat abgelenkt wird, wodurch die Zusammensetzung des abgeschiedenen Materials in der Ablenkrichtung geändert wird. Physisch können entweder der Brenner oder das Substrat bewegt werden, und die Ablenkrichtung ist konsistent in einer einzigen x-y-Richtung, d. h., er scannt nur in der Richtung parallel zu dem Wellenleiter, der verjüngt wird. Theoretisch könnte man in der anderen Richtung scannen, d. h. senkrecht zum Wellenleiter, doch würde das mehr Steuerung erfordern, als der übliche Dynamikbereich des Prozesses gestattet. Auf die beschriebene Weise können, um die gewünschte Verjüngung in der x-y-Ebene des planaren Wellenleiters auszubilden, d. h., um die Breite des Wellenleiters zu verjüngen, Längszusammensetzungsgradienten und entsprechende Indexgradienten verwendet werden. Auf analoge Weise, wobei jedoch ein Steuerprogramm verwendet wird, das auf einer Punkt-zu-Punkt-Schichtzusammensetzung basiert, kann die Zusammensetzung in drei Abmessungen erzielt werden und der effektive Querschnitt des Wellenleiters kann sowohl in der x-y-Ebene als auch der z-Richtung (Dickenrichtung) verjüngt werden. Die Fähigkeit zur Verjüngung in der z-Richtung ist das erwünschte Merkmal dieses Prozesses, da man eine Verjüngung in der x-y-Ebene leicht unter Verwendung einer herkömmlichen Maske erzielen kann. In der Praxis ist die Technik jedoch darauf beschränkt, nur in einer x-y-Richtung Verjüngungen zu erzeugen, und zwar wegen des relativ begrenzten Dynamikbereichs der Zusammensetzungsänderungen mit der Entfernung oder der Durchflußmenge der Abscheidung, die man mit der Technik erhalten kann. Zudem wird bei dieser Technik das Ziel der Verjüngung in der z-Richtung nur mit erheblicher Komplexität und erheblichen Kosten beim Prozeß erzielt. Ein einfachereres und kosteneffektiveres Verfahren zum Verjüngen planarer Wellenleiter wäre wünschenswert, insbesondere eines, das mit keinen Einschränkungen in der oder den Richtungen der Verjüngung in der x-y-Ebene verbunden ist und das an beliebigen Positionen im photonischen IS Verjüngungen relativ abrupt herstellen kann.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • [0008]
    Zum Verjüngen planarer Wellenleiter habe ich eine Technik entwickelt, die relativ einfach ist und mit der man erwiesenermaßen ohne die Prozeßkomplexität des Standes der Technik eine Verjüngung in z-Richtung erhalten kann. Sie basiert auf der Erkenntnis, daß, wenn durch FHD über einer Stufe eine Kernschicht ausgebildet und dann konsolidiert wird, sich eine Schicht mit einer sanften Verjüngung über der Stufe ergibt. Dieses Prinzip wird dementsprechend in der vorliegenden Erfindung implementiert, die ein Verfahren zum Herstellen eines Wellenleiters in einer planaren photonischen integrierten Schaltung bereitstellt, wobei der Wellenleiter ein Cladding und einen Kern umfaßt, wobei die Dicke des Kerns des Wellenleiters verjüngt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
    • a. Ausbilden einer Claddingschicht auf einem Substrat,
    • b. Ausbilden einer ersten Kernschicht auf einer Claddingschicht,
    • c. Ausbilden einer Stufe in der ersten Kernschicht,
    • d. Ausbilden einer zweiten Kernschicht über der ersten Kernschicht und Erweitern über die Stufe, wodurch im Kern des Wellenleiters eine Verjüngung ausgebildet wird.
  • [0009]
    Bevorzugt wird der Verbundkörper getempert. Nach Konsolidierung fließt die zweite Kernschicht ohne Behinderung durch Oberflächenspannung, und die beiden Kernschichten vereinigen sich zu einer Schicht. Die resultierende Kernschicht weist dort eine sanfte Verjüngung auf, wo über der Stufe in der ersten Schicht die zweite Schicht ausgebildet wurde. Da die Stufe mit einer beliebigen x-y-Form hergestellt werden kann, kann eine entsprechende Verjüngung in jeder gewünschten Geometrie hergestellt werden, z. B. in zwei x-y-Richtungen. Dadurch kann die Verjüngung erweiterte Wellenleiterabschnitte für Wellenleiterkreuzungen und Wellenleiterabschnitte mit reduzierter Dicke erzeugen, die beispielsweise für Sternkoppler vorteilhaft sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • [0010]
    1 und 2 sind Schemadiagramme einer Kopplung zwischen einer planaren integrieren Schaltung und einer optischen Faser in Draufsicht (1) und Seitenansicht (2), die die Fehlanpassung des Kerns auf beiden Seiten der Kopplung zeigen;
  • [0011]
    3 und 4 sind Ansichten analog zu denen von 1 und 2, die vom Prinzip her die Verwendung verjüngter Wellenleiterabschnitte zeigen, um die Kernfehlanpassung zu überwinden;
  • [0012]
    511 zeigen eine Sequenz von Prozeßschritten, die sich zur Herstellung der verjüngten Wellenleiterabschnitte der 3 und 4 eignen;
  • [0013]
    12 ist eine schematische Ansicht einer Bauelementanwendung für den Prozeß der Erfindung;
  • [0014]
    13 ist ein Schnitt durch 13-13 von 12;
  • [0015]
    14 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Bauelementanwendung für den Prozeß der Erfindung; und
  • [0016]
    15 ist ein Schnitt durch 15-15 von 14.
  • Ausführliche Beschreibung
  • [0017]
    Unter Bezugnahme auf 1 wird eine herkömmliche optische Faser bei 11 mit einem Faserkern 12 und einem Cladding 13 gezeigt. Wie der Fachmann erkennt, dienen die Abmessungen in dieser und späteren Figuren nur Veranschaulichungszwecken, und sie sind nicht maßstabsgetreu. Typische Faserabmessungen lauten 5–10 Mikrometer für den Durchmesser d1 des Kerns 12 und 120–140 Mikrometer für den Gesamtdurchmesser des Kerns 12 und der Claddingschicht 13. Die Faserbeschichtung ist nicht gezeigt und ist üblicherweise abgelöst, um eine An bringung der Faser an der integrierten Schaltung zu erleichtern.
  • [0018]
    Der weggeschnittene Teil einer photonischen planaren integrierten Schaltung ist mit einem Wirtsubstrat 15, einem planaren Wellenleiter 16 und einer unteren Claddingschicht 17 gezeigt. Wie oben beschrieben, ist die typische Breite w1 des planaren Wellenleiters geringer als d1. Beispielsweise kann der planare Wellenleiter 16 eine im wesentlichen quadratische Form aufweisen, wobei die Seiten 4,5 Mikrometer lang sind, und der Faserkern 12, der in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, hat einen Durchmesser d1 von 6,8 Mikrometern. In diesem Fall beträgt die Fehlanpassung des Kerns der optischen Faser an den Kern des planaren Wellenleiters etwa 50%. Durch eine Fehlanpassung von 10% oder mehr erhält man einen ausreichenden Verlust, damit Techniken zum Verbessern der Anpassung, wie die unten beschriebenen, vom Fachmann als nützlich betrachtet werden.
  • [0019]
    In 3, die eine Draufsicht ähnlich der von 1 ist, ist der planare Wellenleiter 21 mit optimaler Breite w1 mit einem verjüngten Abschnitt 22 gezeigt, so daß die Breite w2 des planaren Wellenleiterabschnitts 22 hinter der Verjüngung nun dem Durchmesser d1 des Faserkerns 25 entspricht. Die Fehlanpassung zwischen dem planaren Wellenleiter 26 und dem Faserkern 27 in der z-Richtung erkennt man in der Seitenansicht von 4, und sie wird von einem verjüngten Abschnitt 28 gelöst. Bei dieser Ausführungsform ist die Steigung der Verjüngungen sowohl in der y-Richtung als auch der z-Richtung die gleiche, und falls w1 und t1 etwa gleich sind und auch w2 und t2 etwa gleich sind, beträgt die Länge der Verjüngung 28 in z-Richtung etwa das Doppelte der Länge der Verjüngung 22 in y-Richtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steigung der Verjüngung 28 auf die der Verjüngung 22 vergrößert, um den verjüngten Abschnitt zu verkürzen. Die bevorzugte Verjüngungslänge für beide Richtungen liegt im Bereich 0,1–2 mm, und der optimale Bereich ist 0,2–1,4 mm. Der planare Wellenleiterabschnitt 29 weist hinter dem verjüngten Abschnitt 28 eine Kerntiefe oder Kerndicke t2 auf, die im wesentlichen dem Durchmesser d1 des Faserkerns entspricht.
  • [0020]
    Die in Prozent ausgedrückte Verjüngung ist definiert als (t2 – t1)/t1 und liegt bei der Erfindung in der Regel über 10%, um einen praktischen Effekt zu haben, und bevorzugt über 20%.
  • [0021]
    4 beschreibt eine Situation, in der die Primärabmessungen des Kerns der Faser denen des planaren Wellenleiters entsprechen. Um bei der Kopplung einen Verlust zu vermeiden, ist es wünschenswert, wenn sich diese Abmessungen um bis zu 20%, und bevorzugt 10%, entsprechen oder wenn der Wellenleiter auf der Empfängerseite der Kopplung größer ist als der Wellenleiter auf der Eingangsseite der Kopplung. In diesem Zusammenhang sollte die effektive Fläche des planaren Wellenleiters genauso groß oder größer sein als der Faserwellenleiter am Eingang des Bauelements mit der umgekehrten Beziehung am Ausgang. Mit der Technik der Erfindung kann man dies leicht erreichen, indem der planare Wellenleiter am Eingang verjüngt und entweder der Wellenleiter am Ausgang nicht verjüngt oder am Ausgang eine kleinere Verjüngung verwendet wird.
  • [0022]
    Bei der in diesen Figuren gezeigten Ausführungsform ist der Kern des planaren Wellenleiters an der Oberfläche der integrierten Schaltung gezeigt. Es ist allgemein vorteilhaft, eine obere Claddingschicht hinzuzufügen, so daß der Kern des planaren Wellenleiters in der Struktur vergraben ist.
  • [0023]
    Die Technik der Erfindung zur Herstellung der in 3 und 4 gezeigten verjüngten Abschnitte wird in Verbindung mit den 511 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 5 ist das photonische integrierte Schaltungssubstrat bei 41 mit einer unteren Claddingschicht 42 gezeigt. Das bevorzugte Substrat ist ein Siliziumwafer. Alternative Substrate sind Al2O3, Be2O3, BN, Siliziumdioxid und verschiedene geeignete Keramiken. Silizium wird teilweise deshalb bevorzugt, weil die Claddingschicht 42 thermisch aufgewachsen werden kann. Außerdem weist es gute thermische und elektrische Eigenschaften, vom Umweltstandpunkt aus gesehen gute Stabilität und eine geringe Toxizität, gute mechanische Stabilität, Synergie mit der Herstellung integrierter Schaltungen auf, ist relativ preiswert und kann über große Flächen (z. B. 8 Zoll) mit hervorragender Flachheit (λ/4) hergestellt werden. Eine zweckmäßige Alternative ist die Verwendung eines Siliziumdioxidsubstrats, das dann auch als die untere Claddingschicht für den Wellenleiter fungieren kann.
  • [0024]
    Techniken zum Abscheiden der Schicht 42, wie etwa FHD, CVD usw., sind geeignet, und SiO2 kann durch andere stabile Claddingmaterialien ersetzt werden. Die Dicke der Claddingschicht 42 liegt in der Regel im Bereich 5–50 Mikrometer. Bei einer Wellenlänge von 0,6328 μm (He-Ne-Laser) beträgt der Brechungsindex von thermischem SiO2 1,4578.
  • [0025]
    Wie oben angegeben, wird der Kern für die planare integrierte Schaltung in zwei Schritten ausgebildet, wobei zwei Schichten verwendet werden. Die erste Kernschicht 43 ist in 6 gezeigt und umfaßt ein Material, dessen Brechungsindex größer ist als der der Claddingschicht 42, z. B. um 0,4% größer, was einen Biegeradius von etwa 10 mm gestattet, oder um 1,2% größer, was einen Biegeradius von etwa 3 mm gestattet.
  • [0026]
    Bei dem Material des Kerns handelt es sich bevorzugt um dotiertes Siliziumdioxid, das der Wärmeausdehnung und den chemischen Eigenschaften der Claddingschicht im wesentlichen entspricht. Typische Dotierungssubstanzen sind Oxide beispielsweise von Germanium, Bor, Phosphor, Titan. Herstellungsverfahren für dotierte Schichten der für diese Erfindung erforderlichen Art sind wohlbekannt. Siehe beispielsweise M. Kawachi, „Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components", Optical and Quantum Electronics, Band 22, S. 391–416, 1990. Die hier beschriebenen Kernschichten werden bevorzugt durch FHD-Techniken ausgebildet, da diese wohlentwickelt sind und sich außerdem für die bevorzugten Materialien auf Siliziumdioxidbasis besonders eignen. Falls die Schicht 43 durch FHD abgeschieden wird, wird sie nach der Abscheidung konsolidiert, indem sie 1–6 Stunden lang auf eine Temperatur über 1 200°C erhitzt wird.
  • [0027]
    Wie unten deutlich wird, bestimmt die Enddicke (konsolidierte Dicke) der Schicht 43 die in dem Prozeß gestattete maximale Verjüngungsdicke. Falls eine Verjüngung um 20% gewünscht ist, muß die Dicke der Schicht 43 mindestens 20% der Dicke t1 der endgültigen Kernschicht betragen. Es wird außerdem deutlich, daß die Schicht 43 üblicherweise dicker ist. Ein bevorzugter Dickenbereich für die Schicht 43 ist 1–8 μm.
  • [0028]
    Die Stufe in der ersten Kernschicht, mit der die Verjüngung erzeugt wird, wird durch eine geeignete Technik, bevorzugt durch standardmäßige Photolithographie, in der Schicht 43 ausgebildet. Es können auch andere Standardtechniken eingesetzt werden, z. B. Elektronenstrahl- oder Röntgenstrahllithographie. Der Ätzprozeß kann naß oder trocken sein, z. B. RIE. 7 zeigt eine einen Teil der Schicht 43 bedeckende Photomaske 44, wobei der Rand der Photomaske in der Mitte der für die Verjüngung gewünschten Position angeordnet ist. Die Photomaske wird durch den Standardprozeß hergestellt: Aufschleudern einer Beschichtung aus einem lichtempfindlichen Polymer auf die Schicht 43, Belichten eines Teils (entweder der Teil, der entfernt werden soll, oder der Teil, der zurückbleiben soll) mit aktinischer Strahlung und Entwickeln der Struktur. Als Alternative kann eine Hartmaske, z. B. aus Polysilizium, Chrom oder einer Ni-Cr-Legierung, oder ein anderes geeignetes Dünnfilmmaterial verwendet werden. Das Silizium, das in diesem Ätzschritt entfernt wird, weist eine relativ große Dicke auf, d. h. einige Mikrometer. Es ist durchaus bekannt, daß in einem derartigen Fall die Ätzselektivität möglicherweise nicht ausreicht, um ein Durchätzen der Schicht ohne Zerstörung der Maske sicherzustellen. Die standardmäßige Vorgehensweise besteht in einem derartigen Fall darin, eine Hartmaske oder einen Mehrschichtresist zu verwenden, insbesondere wenn eine Trockenätzung verwendet wird. Wenn HF verwendet wird, sind die für eine Hartmaske erforderlichen zusätzlichen Schritte möglicherweise nicht erforderlich.
  • [0029]
    Bei der Ausführungsform, die beschrieben wird und bei der der Kern eines planaren Wellenleiters an den Kern einer optischen Faser gekoppelt ist, wird die Verjüngung eng an der letzten Kante des integrierten Schaltungschips ausgebildet. Bei weiteren Ausführungsformen, die unten beschrieben werden, wird die Verjüngung im Inneren der integrierten Schaltung ausgebildet, und mehrere Verjüngungen in mehr als einer x- oder y-Richtung können ausgebildet werden.
  • [0030]
    Wenn sich die Photomaske oder die Hartmaske an Ort und Stelle befindet, werden zur Ausbildung der Stufe 45 die belichteten Gebiete der Schicht 43 geätzt, wie in 8 gezeigt. Die Tiefe der Ätzung bestimmt die Höhe der Stufe und den Grad der Verjüngung im Endkern. Bei einer 20%igen Verjüngung sollte die Stufe eine Höhe von mindestens 20% von t1 aufweisen. Falls bei dem oben angeführten Beispiel t1 4,5 Mikrometer sein soll, sollte die Stufenhöhe etwa 0,9 Mikrometer betragen. Bei einer 40%igen Verjüngung, die bevorzugt wird, wenn bei dem oben angegebenen Beispiel die Kernabmessung t2 dem Faserkerndurchmesser d1 entsprechen soll, sollte die Stufenhöhe mindestens 1,8 Mikrometer betragen. Die Stufenhöhe bestimmt außerdem die Länge des verjüngten Abschnitts. Wenn die Abmessungen verwendet werden, die in den Beispielen in dieser Beschreibung angegeben sind, liegt die Verjüngungslänge innerhalb des bevorzugten Bereichs 0,1–2,0 mm. Bei den hier beschriebenen Anwendungen wird in der Regel die Stufenhöhe mindestens 1 μm betragen.
  • [0031]
    Bei der bevorzugten Prozeßsequenz wird die Dicke der Schicht 43 der gewünschten Stufenhöhe angeglichen, und die Schicht 43 wird zur Ausbildung der Stufe 45 durch ihre Dicke geätzt. Bei dem in 8 dargestellten Prozeßschritt ist die Dicke der Schicht 43 größer als die für die Stufenhöhe gewünschte Dicke, und die Ätzung verläuft teilweise durch die Dicke der Schicht 43. Bei der gezeigten Ausführungsform, einer Naßätzung, wurde zur Herstellung der Stufe wäßrige HF mit 5 Teilen Wasser auf einen Teil 49%iger HF verwendet. Der eingesetzte Ätzprozeß ist nicht kritisch, und es können auch Trockenätztechniken verwendet werden. Es ist offensichtlich, daß die Stufe selber verjüngt sein kann, wenn sich dies aus einer isotropen Plasmaätzung oder einer Naßätzung wie etwa verdünnter oder konzentrierter HF ergibt. Da die Abmessungen bei diesem Prozeß im Vergleich zu Siliziumbearbeitungsstandards relativ groß sind, ist die übliche Präzision für die Einhaltung der Linienbreite, die Ätztiefe, die Seitenwandgeometrie, die Hinterschneidung usw. nicht erforderlich.
  • [0032]
    Bei dem in 9 dargestellten nächsten Schritt wird die zweite Kernschicht 46 abgeschieden. Die Dicke der Schicht 46 sollte gleich t2 minus der Dicke der Schicht 43 betragen.
  • [0033]
    Sie sollte außerdem mindestens mit der Dicke der Stufenhöhe vergleichbar sein, d. h. mindestens 75% der Stufenhöhe. Die Schicht 46 wird bei Abscheidung durch FHD konsolidiert, indem sie 1–6 Stunden lang auf eine Temperatur > 1 050°C erhitzt wird. Bei diesem Schritt vereinigen sich die beiden Kernschichten unter Bildung einer einzelnen homogenen Kernschicht 48 wie in 10 gezeigt, wobei ein verjüngter Abschnitt 49 einen glatten Wellenleiterübergang zwischen dem planaren Wellenleiterkern 51 und dem Kern der optischen Faser herstellt. Zur Vervollständigung des planaren Wellenleiters wird die obere Claddingschicht 52 dann, wie in 11 gezeigt, ausgebildet. Diese Claddingschicht kann im wesentlichen die gleiche wie die untere Claddingschicht 42 sein. In 11 ist die Faser 52 so gezeigt, daß der Faserkern 53 auf den erweiterten Kern 51 des planaren Wellenleiters ausgerichtet ist. Die Faser wird über Standardverfahren am planaren Wellenleiter angebracht. Die Faser wird in der Regel unter Verwendung eines Klebers wie etwa Epoxidharz befestigt.
  • [0034]
    Aus 9 geht hervor, daß die Stufe 45 in der Schicht 43 steil sein oder, damit die Verjüngung 49 glatter wird, selbst verjüngt sein kann. Bei dem Prozeß besteht eine Option darin, die Stufe vor dem Abscheiden der zweiten Kernschicht zu glätten, indem die Schicht 43 auf ihre Erweichungstemperatur erhitzt wird. Falls die Schicht 43 durch FHD ausgebildet wird, kann die Stufe während des Konsolidierungsschritts geglättet werden.
  • [0035]
    Nach der Vervollständigung der Kernschicht wird bei einer entsprechenden Verjüngung in der z-Richtung (Dicke) die Verjüngung in der x-y-Ebene durch geeignete Lithographie ausgebildet. Alternativ kann die Verjüngung in der x-y-Ebene während der Abscheidung der beiden Kernschichten ausgebildet werden, wobei die in dem oben angeführten Patent beschriebene Technik verwendet wird.
  • [0036]
    Die Effektivität des oben zur Ausbildung von Wellenleiterschichten mit Verjüngungen in der z-Richtung beschriebenen Prozesses wurde durch das folgende Beispiel gezeigt.
  • BEISPIEL
  • [0037]
    Auf einem Siliziumwafer wurde eine 15 μm dicke untere Claddingschicht aus Siliziumdioxid thermisch aufgewachsen. Die Claddingschicht wies bei einer Wellenlänge von 0,6328 Mikrometer einen Brechungsindex von 1,4578 auf. Die erste Kernschicht wurde durch FHD auf der Claddingschicht abgeschieden. Die erste Kernschicht war 4,5 Mikrometer dick mit der Zusammensetzung 79 SiO2 -12 GeO2 - 8 B2O3 - 1 P2O5 und einem Indexdelta von 1,2%. Zur Konsolidierung der Schicht wurde die erste Kernschicht 2 Stunden lang auf 1 320°C erhitzt und dann mit einer Photomaske maskiert. Mit einer Lösung von 5 Teilen Wasser zu 1 Teil 49%iger HF wurden die belichteten Gebiete bis auf eine Tiefe von 2,5 μm geätzt. Die Photomaske wurde entfernt und die zweite Kernschicht abgeschieden. Die zweite Kernschicht wies die gleiche Zusammensetzung und den gleichen Brechungsindex wie die erste Kernschicht und eine Dicke von 2,5 μm auf. Dann wurde die zweite Schicht auf die gleiche Weise wie die erste konsolidiert und die beiden Kernschichten wurden miteinander vereinigt. Die resultierende Struktur wies eine verjüngte Kernschicht mit einer Verjüngung in der vertikalen oder z-Achsen-Abmessung von etwa 55% auf.
  • [0038]
    Wie oben erwähnt besteht ein wichtiger Vorteil der Technik der Erfindung darin, daß sie dazu verwendet werden kann, Verjüngungen entlang mehr als einer xoder y-Richtung auszubilden. Eine Ausführungsform, aus der dies hervorgeht, ist in den 12 und 13 gezeigt. 12 zeigt einen Innenteil 61 einer planaren integrierten Schaltung, in der sich zwei Wellenleiter 62 und 63 überkreuzen. Im Überkreuzungsgebiet 64 sieht jeder der Wellenleiter dort, wo in der x-y-Ebene keine seitliche Einschränkung existiert, eine Lücke gleich der Breite des anderen Wellenleiters. Es ist bekannt, daß Verluste in beiden Wellenleitern im Überkreuzungsgebiet reduziert werden können, wenn der Wellenleiter im Überkreuzungsgebiet erweitert wird. Durch die Verjüngungstechnik der Erfindung kann diese Erweiterung erzielt werden, indem die Kernschicht in zwei Operationen abgeschieden wird und an den Grenzen der Überkreuzung unter Verwendung der oben beschriebenen Technik in der ersten Kernschicht Stufen bereitgestellt werden. Nach der Abscheidung der zweiten Kernschicht werden Verjüngungen in den beiden x-y-Richtungen in der Nähe der Grenze des Überkreuzungsgebiets ausgebildet. Das Ergebnis ist in 13 gezeigt, die einen Schnitt durch 13-13 von 12 darstellt und den erweiterten Wellenleiter im Überkreuzungsgebiet 64 zeigt.
  • [0039]
    Bei der Ausführungsform der 12 und 13 kreuzen sich die Wellenleiter unter einem spitzen Winkel. Die Erfindung kann auf Wellenleiter angewendet werden, die sich unter einem beliebigen Winkel kreuzen. Die Verluste bei einer Überkreuzung steigen mit abnehmendem Überkreuzungswinkel, so daß man durch die Erfindung erheblichen Nutzen bei Überkreuzungen unter sehr spitzen Winkeln von z. B. 10° erzielt. Jedoch können auch Überkreuzungen z. B. unter rechten Winkeln ebenfalls aus der Wellenleiterverjüngungstechnik der Erfindung Nutzen ziehen.
  • [0040]
    Eine weitere Ausführungsform, bei der sich verjüngte Wellenleiter in mehr als einer x- oder y-Richtung eignen, ist in den 14 und 15 dargestellt. 14 zeigt eine Draufsicht auf einen Innenteil 71 einer planaren integrierten Schaltung, die einen Sternkoppler 72 enthält, ein Bauelement, das in der Technik wohlbekannt ist. Der Sternkoppler weist zwei Sätze von Wellenleitern 73 und 74 auf, die potentiell durch ein Wellenleiterplattengebiet 79 gekoppelt sind. Zum effizienten Betrieb eines Sternkopplers wird das Führen der Moden im Kopplergebiet 79 bevorzugt stärker eingeschränkt als in den Wellenleitern 7374. Deshalb ist eine Wellenleiterplatte erwünscht, die dünner ist als die Kanalwellenleiter. Dies kann man effektiv ohne Inkaufnahme eines Verlustes am Dickenübergang unter Verwendung des Verjüngungsprozesses der Erfindung erreichen, indem der Wellenleiterkern in zwei Operationen abgeschieden wird und geeignete Stufen dort bereitgestellt werden, wo die Verjüngungen erwünscht sind. Das Ergebnis ist in 15 dargestellt, das einen Schnitt durch 15-15 von 14 darstellt und den verengten Wellenleiter im Wellenleiterplattengebiet 79 zeigt.
  • [0041]
    Aus den 12-15 geht hervor, daß das Verfahren der Erfindung verjüngte Wellenleiterabschnitte in jeder gewünschten Richtung oder in mehreren Richtungen in der x-y-Ebene ausbilden kann. Beispielsweise sind in der in 14 gezeigten Struktur die verjüngten Abschnitte in einer Vielzahl von x-y-Richtungen orientiert, und die Serien von Verjüngungen entlang jedem Satz von Wellenleitern 73 und 74 sind wie gezeigt entlang eines gekrümmten Wegs orientiert.
  • [0042]
    Für den Fachmann sind zahlreiche zusätzliche Modifikationen an der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Alle Abweichungen von den spezifischen Lehren dieser Patentschrift, die im Grunde auf den Prinzipien und ihren Äquivalenten basieren, durch die die Technik Fortschritte gemacht hat, sollen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen, wie sie beschrieben und beansprucht wird.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Wellenleiters in einer planaren photonischen integrierten Schaltung, wobei der Wellenleiter ein Cladding und einen Kern umfaßt, wobei die Dicke des Kerns des Wellenleiters verjüngt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a. Ausbilden einer Claddingschicht auf einem Substrat, b. Ausbilden einer ersten Kernschicht auf der Claddingschicht, c. Ausbilden einer Stufe in der ersten Kernschicht, d. Ausbilden einer zweiten Kernschicht über der ersten Kernschicht und Erweitern über die Stufe, wodurch im Kern des Wellenleiters eine Verjüngung ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Silizium.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Substrat Silizium ist und die erste Claddingschicht ein thermisch aufgewachsenes SiO2 umfaßt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste und zweite Kernschicht dotiertes Siliziumoxid umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Anbringens einer optischen Faser an der planaren integrierten Schaltung.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Kernschicht eine Dicke im Bereich von 1–8 μm aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Kernschicht und die zweite Kernschicht durch Erhitzen der Schicht auf eine Temperatur von über 1050°C konsolidiert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufe hergestellt wird, indem ein Teil der ersten Kernschicht maskiert wird und freiliegende Teile der ersten Kernschicht bis auf eine Tiefe von mindestens 1 μm weggeätzt werden, wodurch in der ersten Kernschicht eine Stufe ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite Kernschicht eine Zusammensetzung aufweist, die der Zusammensetzung der ersten Kernschicht im wesentlichen entspricht, wobei die zweite Kernschicht eine Dicke von mindestens 1 μm aufweist und sich über die Stufe in der ersten Kernschicht hinweg erstreckt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufe mindestens zwei Abschnitte umfaßt, wobei ein erster Abschnitt sich in einer x-y-Richtung und ein zweiter Abschnitt sich in einer zweiten x-y-Richtung erstreckt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei sich die erste und zweite x-y-Richtung um mindestens etwa 10° unterscheiden.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach dem Schritt des Wegätzens von freiliegenden Teilen der ersten Kernschicht die Stufe zu ihrer Glättung auf mindestens ihre Erweichungstemperatur erhitzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, mit dem zusätzlichen Schritt, daß über der zweiten Kernschicht eine obere Claddingschicht abgeschieden wird.
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