专利名称：采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法
技术领域：
本发明涉及硅基二氧化硅应力光波导一类的器件，用以实现该类波导的偏振不灵敏，特别涉及硅基二氧化硅阵列波导光栅(AWG)、光开关和马赫—曾德干涉(MZI)型器件的偏振不灵敏。
背景技术：
硅基二氧化硅光波导是在硅衬底上先沉积二氧化硅经刻蚀后形成的光波导，由于二氧化硅与硅衬底的热膨胀系数不一致，制备的波导存在应力不对称，该类光波导表现为较大的应力双折射，双折射系数约10-4量级，而一般的器件都要求对偏振不灵敏，需将整个波导的双折射系数降到10-5量级，因此实现硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏是该类型波导广泛应用的前提。
目前国际上对硅基二氧化硅偏振相关补偿的方法有沉积非晶硅薄膜法、插入半波片法、应力释放槽法、上包层重掺杂B、P法、不同宽度的波导混合集成法、双芯区法等(见文献[1]Hiroshi Takahashi，YoshinoriHibino，Yasuji Ohmori，Masao Kawachi.Polarisation-Insensitive Arrayed-Waveguide Wavelength Multiplexer with Birefringence Compensation Film.IEEE Photonics Technology Letters，1993，5(6)707-709.[2]Yasuyuki Inoue，Hiroshi Takahashi，Shinji Ando，et al.Elimination of polarization sensitivity insilica-based wavelength division multiplexer using a polyimide half waveplate，IEEE J.of Lightwave Technology.1997，15(10)1974-1957.[3]S.Suzuki，S.Sumida，Y.Inoue，et al.Polarisation insensitive arrayed-waveguide gratingsusing dopant rich silica-based glass with ghermal expansion adjusted to Sisubstrate.Electronics Letters.1997，33(13)1173-1174.[4]E.Wildermuth，Ch.Nadler，M.Lanker，et al.Penalty-free polarisation compensation of SiO2/Siarrayed waveguide grating wavelength multiplexers using stress releasegrooves.Electronics letters，1998，34(20)16611662.[5]Y.Inoue，M.Itoh，Y.Hibino，et al.Novel birefringence compensating AWG design.Optical Soc-iety of America.2000，WB4-1.[6]K.Worhoff，B.J.Offrein，P.V.Lambeck，etal.Rirefringence Compensation Applying Double-Core Waveguide Structures.IEEE Photonics Technology Letters，11(2)206-208.)。而改变传统的平面波导制备工艺，采用先刻蚀后氧化、生长的方法，使制备的波导中间夹着一层硅(Si)材料，利用Si材料大的热膨胀系数进行侧向应力补偿，使硅基二氧化硅波导在水平方向与垂直方向所受应力趋于一致。实现波导及相关器件的偏振不灵敏，在国际上还没有报道。
采用有限元方法分析在硅基二氧化硅波导的侧向存在一薄层硅的应力分布，应力计算模型如图1所示，其数值模拟结果如图2，其中图2-1与图2-2分别是波导侧向无Si材料与有Si材料在水平方向的应力分布，图2-3与图2-4分别是波导侧向无Si材料与有Si材料在垂直方向的应力分布，在水平方向由于在波导的垂直方向存在硅材料，其大的热膨胀系数会使波导在垂直方向所受压应力与水平方向所受压应力一致，故在水平和垂直的模折射率nTE、nTM也趋于一致，应力双折射系数B减小，波导的应力双折射得以消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏的方法。关键在于采用先刻蚀芯区图形后生长芯区的工艺，在热氧化生成上包层和侧向包层时可在芯区的两侧留下热膨胀系数大的硅材料，这一侧向硅材料可平衡硅基二氧化硅波导在水平和垂直方向的应力，使波导在这两个方向的应力一致，不需额外工艺便可实现硅基二氧化硅波导的偏振无关性，可实现硅基二氧化硅AWG和硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不灵敏。
本发明是通过下面方法实现的本发明一种采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在硅衬底先进行反应离子刻蚀，刻蚀出波导芯区空间；(2)高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层；(3)在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长芯区；(4)等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长15μm上包层；
(5)抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料，整个硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。
其中采用本方法制作的光波导间距应不小于30μm。
其中采用本方法制作的光波导可以是直波导、弯曲波导或二者的组合。
其中步骤(1)中的波导芯区空间是用湿法腐蚀方法得到的倒梯形形状。
通过该方法可实现硅基二氧化硅应力光波导及相关器件的偏振不灵敏。
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1是采用有限元法进行应力分析模型图；图2是采用有限元法得到的有无侧向Si材料的横向与纵向应力分布图；图3是用干法工艺实现硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏剖面流程图；图4是用湿法工艺实现硅基二氧化硅应力光波导偏振不灵敏剖面流程图。
具体实施例方式
请参阅图3，图3-1、图3-2是在硅衬底11先进行反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀出方形波导芯区空间12，空间宽度为22.8μm，刻蚀深度不低于21μm，芯区空间间距不低于30μm；图3-3是高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层13，以限制光的泄漏；图3-4是在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)或火焰水解法(FHD)生长芯区14，芯层的厚度控制为6μm，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2、SiON或P2O5-SiO2；图3-5是用FHD法或PECVD法生长厚度为15μm上包层15，上包层材料可以是P2O5-B2O3-SiO2、SiO2、SiON或B2O3-SiO2；图3-6是进行抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料。整个硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。通过该方法可实现硅基二氧化硅应力光波导及相关器件的偏振不灵敏。
请参阅图4，图4-1、图4-2是在硅衬底11进行湿法Si腐蚀，腐蚀出倒梯形波导芯区空间12，空间宽度为22.8μm，刻蚀深度不低于21μm，芯区空间间距不低于30μm；图4-3是高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层13，以限制光的泄漏；图4-4是在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)或火焰水解法(FHD)生长芯区14，芯层的厚度控制为6μm，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2、SiON或P2O5-SiO2；图4-5是用FHD法或PECVD法生长厚度为15μm上包层15，上包层材料可以是P2O5-B2O3-SiO2、SiO2、SiON或B2O3-SiO2；图4-6是进行抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料。整个硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。通过该方法可实现硅基二氧化硅应力光波导及相关器件的偏振不灵敏。
再请参阅图3-1、图3-2、图4-1、图4-2中刻蚀的可以是弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合。首先是在硅衬底进行RIE刻蚀或湿法腐蚀，刻蚀出弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合的波导芯区空间，空间宽度为22.8μm，刻蚀深度不低于21μm，芯区空间间距不低于30μm；接着是高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层，以限制光的泄漏；然后是在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)或火焰水解法(FHD)生长芯区，芯层的厚度控制为6μm，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2、SiON或P2O5-SiO2；再用FHD法或PECVD法生长厚度为15μm上包层，上包层材料可以是P2O5-B2O3-SiO2、SiO2、SiON或B2O3-SiO2；最后进行抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料。硅基二氧化硅偏振不灵敏波导制备完毕。通过该方法可实现硅基二氧化硅弯曲波导或直波导与弯曲波导的组合的偏振不灵敏。
另请参阅图3-1、图3-2、图4-1、图4-2中刻蚀的可以是AWG器件版图。首先是在硅衬底进行RIE刻蚀或湿法腐蚀，刻蚀出AWG器件的波导芯区空间，空间宽度为22.8μm，刻蚀深度不低于21μm，芯区空间间距不低于30μm；接着是高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层，以限制光的泄漏；然后是在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)或火焰水解法(FHD)生长芯区，芯层的厚度控制为6μm，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2、SiON或P2O5-SiO2；再用FHD法或PECVD法生长厚度为15μm上包层，上包层材料可以是P2O5-B2O3-SiO2、SiO2、SiON或B2O3-SiO2；最后进行抛光去掉生长在侧向包层上的芯层、上包层材料。硅基二氧化硅偏振不灵敏AWG制备完毕。通过该方法可实现硅基二氧化硅AWG的偏振不灵敏。
请参阅图3-1、图3-2、图4-1、图4-2中刻蚀的可以是MZI器件版图。首先是在硅衬底进行RIE刻蚀或湿法腐蚀，刻蚀出MZI器件的波导芯区空间，空间宽度为22.8μm，刻蚀深度不低于21μm，芯区空间间距不低于30μm；接着是高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层，以限制光的泄漏；然后是在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)或火焰水解法(FHD)生长芯区，芯层的厚度控制为6μm，折射率根据芯区与包层的折射率差为0.75％来确定，芯层材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2、SiON或P2O5-SiO2；再用FHD法或PECVD法生长厚度为15μm上包层，上包层材料可以是P2O5-B2O3-SiO2、SiO2、SiON或B2O3-SiO2；最后进行抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料。硅基二氧化硅偏振不灵敏AWG制备完毕。通过该方法可实现硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不灵敏。
权利要求
1.一种采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在硅衬底先进行反应离子刻蚀，刻蚀出波导芯区空间；(2)高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层；(3)在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长芯区；(4)等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长15μm上包层；(5)抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料，整个硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。
2.根据权利要求1所述的采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，其中采用本方法制作的光波导间距应不小于30μm。
3.根据权利要求1所述的采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，其中采用本方法制作的光波导可以是直波导、弯曲波导或二者的组合。
4.根据权利要求1所述的采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，其中步骤(1)中的波导芯区空间是用湿法腐蚀方法得到的倒梯形形状。
全文摘要
一种采用非平面工艺实现硅基二氧化硅波导偏振无关的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在硅衬底先进行反应离子刻蚀，刻蚀出波导芯区空间；(2)高温热氧化形成约15μm厚的下包层和侧向包层；(3)在波导芯区空间用等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长芯区；(4)等离子增强化学气相沉积法或火焰水解法生长15μm上包层；(5)抛光去掉生长在氧化包层上的芯层、上包层材料，整个硅基二氧化硅偏振不灵敏应力光波导制备完毕。
文档编号G02B6/136GK1670550SQ200410031518
公开日2005年9月21日 申请日期2004年3月19日 优先权日2004年3月19日
发明者安俊明, 李健, 郜定山, 夏君磊, 李建光, 王红杰, 胡雄伟 申请人:中国科学院半导体研究所