WO1996008739A2 - Verfahren zum herstellen eines integrierten optischen wellenleiters - Google Patents

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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1221—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths made from organic materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/045—Light guides

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an integrated optical waveguide, in which a trench-traversed region is formed in a silicon substrate by etching, said region having a buffering SiÜ2 on trench-free surfaces of the side of the silicon substrate having the trench-traversed region Layer, and then a waveguide layer made of a light-guiding polymer is applied to the same side of the silicon substrate to form a waveguide running in the trench direction.
  • a waveguide layer made of a light-conducting polymer is applied by spinning to the silicon substrate processed so far, it being ensured that the waveguide layer has the same thickness approximately everywhere; the waveguide layer is thereby given a surface structure which is similar to that of the silicon substrate provided with the trenches.
  • the wave-guiding region in the integrated optical waveguide produced by the known method is formed in the region between two adjacent trenches.
  • the layer of SiO 2 between two adjacent trenches are used as a buffering layer.
  • the waveguiding area is at least a few 10 ⁇ m wide, which automatically creates multimode waveguides in the event of the jumps in refractive index between the different material systems.
  • the waveguiding regions are relatively highly lossy because considerable losses occur in the region of the individual trenches. Furthermore, the losses in the known integrated optical waveguide are increased further in that the waveguiding region is formed from a relatively thin film made of the light-conducting polymer.
  • the invention is based on the object of proposing a method for producing an integrated optical waveguide with which single-mode waveguides can be produced with comparatively low losses.
  • a SiO 2 buffer layer is applied to the silicon substrate in such a way that it covers its trench-free surfaces and the trench region, and the leading polymer becomes applied in such a way that it forms a largely flat surface on its free surface.
  • the waveguiding region is formed at the location of the etched trench, through which the light is guided with the formation of comparatively small losses, because in the region of the etched trench a relatively thick layer of the Lich leading polymer is present.
  • Another advantage of the integrated optical waveguide produced by the method according to the invention is that with it the buffer layer also in each case Trench covered the silicon substrate, so that there can be very little loss there.
  • Another advantage of the waveguide produced according to the invention is that the waveguiding regions can be made relatively narrow, as a result of which monomode waveguides can be produced. In addition, only one trench is required in the silicon substrate when carrying out the method according to the invention for producing a waveguide.
  • the buffer layer is advantageously provided with a trench-parallel recess before the waveguide layer is applied.
  • the buffer layer need not be completely interrupted in the area of the recess; a corresponding reduction in thickness may be sufficient.
  • an integrated optical waveguide produced by the method according to the invention is shown in cross section in the figure.
  • a trench-penetrated region 2 and a further trench-penetrated region 2a are formed in a silicon substrate 1 in a first method step by etching; each dug-through area 2 or 2a contains in each case a trench 3 and 4, which extend parallel to one another and perpendicular to the plane of the drawing.
  • the upper side 5 of the silicon substrate 1 in the figure is continuous - that is to say also a SiO 2 in the trenches 3 and 4.
  • Layer 6 is formed, for example, by thermal growth.
  • the SiO 2 layer 6 is advantageously provided with a recess 8 by a further etching on a trench-free surface 7 between the trenches 3 and 4, said recess being in the embodiment shown as a complete one trench parallel interruption of layer 6 is formed. If necessary, a recess without completely interrupting the layer 6 may also be sufficient.
  • a waveguide layer 9 made of a light-guiding polymer is then spun onto the previously prepared silicon substrate 1 in such a way that a flat surface 10 is formed on the side of the SiO 2 layer 6 facing away from the silicon substrate 1 becomes.
  • the waveguide layer 9 consequently has a different thickness, that is to say it is thicker in the region of the trenches 3 and 4 than on the trench-free areas 7.
  • This variation in thickness leads to a variation in the effective refractive index in the waveguide layer 9, as a result of which waveguiding Regions 11 and 12 are formed, which are marked with dashed lines in the figure. These areas 11 and 12 each form a single-type waveguide.
  • the waveguiding region 11 or 12 of the waveguide has a diameter of 8-10 ⁇ m .

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters, bei dem in einem Silizium-Substrat ein grabendurchzogener Bereich geätzt wird, eine grabenfreie Fläche mit einer Pufferschicht versehen wird und auf die Pufferschicht eine Wellenleiterschicht aus einem lichtführenden Polymer aufgebracht wird. Um einen integrierten optischen Wellenleiter in einmodiger Ausführung mit relativ kleinen Lichtverlusten herstellen zu können, wird erfindungsgemäß die Pufferschicht (6) derart ausgeführt, daß sie das Silizium-Substrat (1) auch im Grabenbereich (2, 2a) bedeckt; außerdem wird das lichtführende Polymer so aufgebracht, daß es an seiner freien Oberfläche (10) eine ebene Fläche bildet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters, bei dem in einem Silizium-Substrat durch Ätzen ein grabendurchzogener Bereich gebildet wird, der auf grabenfreien Flächen der den graben- durchzogenen Bereich aufweisenden Seite des Silizium-Substra¬ tes eine puffernde SiÜ2-Schicht aufweist, und anschließend auf dieselbe Seite des Silizium-Substrates eine Wellenleiter¬ schicht aus einem lichtführenden Polymer unter Ausbildung eines in Grabenrichtung verlaufenden Wellenleiters aufge- bracht wird.
Ein bekanntes Verfahren dieser Art ist in der Zeitschrift "Applied Optics", 20. Januar 1993, Vol. 32, Nr. 3, Seiten 318 bis 321 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren werden in ein mit einer Schicht aus SiÜ2 bedecktes Silizium-Substrat unter Bildung eines grabendurchzogenen Bereiches zur Gewin¬ nung eines integrierten optischen Wellenleiters zwei parallel verlaufende und im Querschnitt V-förmige Gräben geätzt, wobei die grabenfreien Flächen neben und zwischen beiden benachbarten Gräben mit der Schicht aus SiÜ2 bedeckt bleiben. Die Schicht aus Siθ2 dient dabei als Ätzmaske. Anschließend wird auf das soweit bearbeitete Silizium-Substrat eine Wellenleiterschicht aus einem lich führenden Polymer durch Schleudern aufgebracht, wobei dafür gesorgt wird, daß die Wellenleiterschicht etwa überall die gleiche Stärke aufweist; die Wellenleiterschicht erhält dadurch eine Oberflä¬ chenstruktur, die ähnlich der des mit den Gräben versehenen Silizium-Substrats ist. Dadurch ist der wellenleitende Be¬ reich bei dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten, in- tegrierten optischen Wellenleiter im Bereich zwischen zwei benachbarten Gräben gebildet. Die Schicht aus Siθ2 zwischen zwei benachbarten Gräben wird dabei als puffernde Schicht be¬ nutzt. Der wellenleitende Bereich ist mindestens einige 10 um breit, wodurch bei den gegebenen Brechzahlsprüngen zwischen den unterschiedlichen Materialsystemen automatisch mehrmodige Wellen-leiter entstehen. Außerdem sind bei dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellenleiter die wellenleitenden Bereiche verhältnismäßig stark verlustbehaftet, weil im Bereich der einzelnen Gräben beträchtliche Verluste entstehen. Ferner sind bei dem bekann- ten integrierten optischen Wellenleiter die Verluste noch dadurch erhöht, daß der wellenleitende Bereich aus einem ver¬ hältnismäßig dünnen Film aus dem lichtleitenden Polymer ge¬ bildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters vorzu¬ schlagen, mit dem sich einmodige Wellenleiter mit vergleichs¬ weise geringen Verlusten herstellen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein¬ gangs angegebenen Art erfindungsgemäß nach dem Ätzen eine Siθ2~Pufferschicht derart auf das Silizium-Substrat aufge¬ bracht, daß sie dessen grabenfreien Flächen und den Graben¬ bereich bedeckt, und das lich führende Polymer wird so aufge- bracht , daß es an seiner freien Oberfläche eine weitgehend ebene Fläche bildet.
Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellenleiter entsteht der wellenlei- tende Bereich an der Stelle des jeweils geätzten Grabens, wo¬ durch das Licht unter Bildung vergleichsweise geringer Ver¬ luste geführt wird, weil im Bereich des geätzten Grabens eine relativ dicke Schicht des lich führenden Polymer vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellenleiters besteht darin, daß bei ihm die Pufferschicht jeweils auch im Graben das Silizium-Substrat bedeckt, so daß dort nur sehr geringe Verluste auftreten können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten Wellenleiters besteht darin, daß die wellenleitende Bereiche relativ schmal ausführbar sind, wodurch sich Monomode-Wellenleiter herstellen lassen. Außerdem ist bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Wellenleiters nur ein Graben im Silizium-Substrat erforderlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Pufferschicht vor dem Aufbringen der Wellenleiterschicht vorteilhafterweise mit einer grabenparallelen Ausnehmung versehen. Dies führt zu einer vorteilhaften Ausgestaltung des so hergestellten inte¬ grierten optischen Wellenleiters insofern, als eine uner- wünschte Überlagerung von Streulicht mit über den wellenlei¬ tenden Bereich übertragenen Datensignalen weitgehend unter¬ bunden wird. Dabei muß die Pufferschicht im Bereich der Aus¬ nehmung nicht vollständig unterbrochen sein; ggf. ist eine entsprechende Dickenreduzierung durchaus ausreichend.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens wird soviel lichtführendes Polymer aufgebracht, daß die Dicke der Wellenleiterschicht auf den grabenfreien Flächen mindestens der Grabentiefe entspricht. Mit einem derartigen Verfahren lassen sich wellenlängenunab¬ hängig einmodige Wellenleiter mit großem Querschnitt reali¬ sieren.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur im Querschnitt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter integrierter optischer Wellenleiter gezeigt.
Wie die Figur erkennen läßt, ist in ein Silizium-Substrat 1 in einem ersten Verfahrensschritt ein grabendurchzogener Be- reich 2 und ein weiterer grabendurchzogener Bereich 2a durch Ätzen gebildet; jeder grabendurchzogene Bereich 2 bzw. 2a enthält jeweils einen Graben 3 und 4, die sich parallel zu¬ einander und senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Nach dem Einätzen der Gräben 3 und 4 in das Silizium-Substrat 1 ist auf der in der Figur oberen Seite 5 des Silizium-Substrates 1 durchgängig - also auch in den Gräben 3 und 4 eine Siθ2-
Schicht 6 beispielsweise durch thermisches Aufwachsen gebil¬ det.
Nach dem Aufbringen der Siθ2-Schicht 6 wird vorteilhaf erwei- se durch weiteres Ätzen auf einer grabenfreien Fläche 7 zwischen den Gräben 3 und 4 die Siθ2-Schicht 6 mit einer Aus¬ nehmung 8 versehen, die in dem dargestellten Ausführungsbei- spiel als eine vollständige grabenparallele Unterbrechung der Schicht 6 ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann aber auch eine Ausnehmung ohne vollständige Unterbrechung der Schicht 6 ausreichend sein.
Auf das soweit vorbereitete Silizium-Substrat 1 wird an¬ schließend durch Schleudern eine Wellenleiterschicht 9 aus einem lichtführenden Polymer aufgeschleudert, und zwar in der Weise, daß auf der von dem Silizium-Substrat 1 abgewandten Seite der Siθ2-Schicht 6 eine ebene Fläche 10 gebildet wird. Die Wellenleiterschicht 9 weist demzufolge eine unterschied¬ liche Dicke auf, ist also im Bereich der Gräben 3 und 4 je- weils dicker als auf den grabenfreien Flächen 7. Diese Dickenvariation führt zu einer Variation der effektiven Brechzahl in der Wellenleiterschicht 9, wodurch wellenleiten¬ de Bereiche 11 und 12 gebildet sind, die in der Figur strichliert markiert sind. Diese Bereiche 11 und 12 bilden jeweils einen ein odigen Wellenleiter.
Wird eine Pufferschicht 6 von 1 - 2,5 Stärke und eine Wel¬ lenleiterschicht 9 auf den grabenfreien Flächen 7 mit einer Stärke von 3 - 5 um gebildet, dann hat der wellenleitende Bereich 11 bzw. 12 des Wellenleiters einen Durchmesser von 8 - 10 um.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters, bei dem - in einem Silizium-Substrat durch Ätzen ein grabendurchzogener Bereich gebildet wird, der auf grabenfreien Flächen der den grabendurchzogenen Bereich aufweisenden Seite des Silizium-Substrates eine puffernde Siθ2~Schicht aufweist, und - anschließend auf dieselbe Seite des Silizium-Substrates eine Wellenleiterschicht aus einem lichtführenden Polymer unter Ausbildung eines in Grabenrichtung verlaufenden Wellenleiters aufgebracht wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - nach dem Ätzen eine Siθ2~ ufferschicht (6) derart auf das Silizium-Substrat (1) aufgebracht wird, daß sie dessen grabenfreien Flächen und den Grabenbereich (2, 2a) bedeckt, und das lichtführende Polymer so aufgebracht wird, daß es an seiner freien Oberfläche (10) eine weitgehend ebene Fläche bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Siθ2"Pufferschicht (6) vor dem Aufbringen der Wellenleiterschicht (9) mit einer grabenparallelen Ausnehmung (8) versehen wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß soviel lichtführendes Polymer aufgebracht wird, daß die Dicke der Wellenleiterschicht (9) auf den grabenfreien Flächen (7) mindestens der Grabentiefe entspricht.
PCT/DE1995/001309 1994-09-15 1995-09-12 Verfahren zum herstellen eines integrierten optischen wellenleiters WO1996008739A2 (de)

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