专利名称：偏振保持平面光波光路及制备方法
技术领域：
本发明涉及集成光电子器件技术领域，是一种偏振保持平面光波光路(PMPLC)结构及制备方法，该偏振保持平面光波光路基于普通平面平面光波光路工艺，通过在缓冲层(或衬底)和覆盖层添加线膨胀系数不匹配结构得到。该单模平面光波光路在传输光波时偏振态保持不变，从而可以有效降低在波导传输光波的偏振相关干扰以及由此引起的偏振相关损耗、色散、相位变化等，保证光子、集成光子器件的性能，为实现光通信、传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定基础。
背景技术：
用于光纤通信、光传感、光子系统中的平面光波光路器件，如耦合器、光分路器、光滤波器等，由于器件结构和材料本身的特性导致双折射，从而产生偏振相关干扰，导致偏振相关损耗、色散和相位变化，严重影响高速光纤通信系统、光传感系统和光子系统传输信号 的性能。为降低偏振相关干扰，维持光波在波导中的偏振态，需要提出并研究偏振保持平面光波光路。基于各向同性材料制作的平面光波光路由单模脊形平面光波光路构成，由于形状非理想化以及材料折射率微小变化，破坏了单模简并条件，从而产生了两个独立的正交偏振模，导致双折射效应。模式双折射程度B定义为B = nx-ny其中，nx和ny为两个正交偏振模的有效折射率。在平面光波光路制作时，有意引入较大的模式双折射，使得某一偏振模处于截止态，可以达到偏振保持的目的。尽管采用双折射材料、芯层与衬底/包层大折射率差、多包层结构等均可实现偏振保持作用，但材料以及工艺实现难度较大。本发明提出一种偏振保持平面光波光路结构，基于成熟的平面工艺，在波导衬底、包层材料生长过程中，人为加入线膨胀系数不匹配结构，产生高双折射，使得在其中传输的单模光波模式处于单偏振态，从而避免了各类光子器件的偏振相关问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种偏振保持平面光波光路及制备方法，使得在其中传输的光波的偏振态保持不变，从而有效降低由于偏振相关以及由此引起的偏振相关损耗、色散、相位变化。本发明采用如下技术方案本发明所述的一种偏振保持平面光波光路，包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层上设有波导芯层结构，在波导芯层结构和缓冲层上铺设有二氧化硅覆盖层，在缓冲层内设有折射率不同于缓冲层的第一柱体阵列，所述的第一柱体阵列由平行排列的柱体构成。本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化偏振保持平面光波光路的技术方案A)在波导芯层结构的上方设有第二柱体阵列，所述的第二柱体阵列由平行排列的柱体构成。B)柱体为空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱或实心方形柱。本发明所述的一种偏振保持平面光波光路的制备方法，步骤I :取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15um到20um的二氧化硅缓冲层；步骤2 :在二氧化硅缓冲层上涂一层胶，并将柱体平行排列在胶上，以形成一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶；步骤3 :利用湿氧氧化方法，在柱体阵列和15um到20um的二氧化硅缓冲层上再制备一层厚度为Ium — 5um的二氧化硅缓冲层，从而完成缓冲层的制备；然后，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，2500C -400°C下，在lum-5um的二氧化硅缓冲层上生长二氧化硅的同时掺杂二氧化锗(GeO2),得到厚度为Sum的波导芯层，且使波导芯层和缓冲层折射率差为O. 4% ；步骤4 :利用光刻和刻蚀工艺制备波导芯层结构；步骤5 :对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层，最终得到偏振保持平面光波光路。本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化偏振保持平面光波光路制备方法的技术方案，即在进行步骤5的对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜之后且在进行步骤5的沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层之前，进行如下操作在波导芯层结构的两侧厚度与波导芯层结构相同的二氧化硅覆盖层；再在二氧化硅覆盖层上涂一层胶，并将柱体平行排列在胶上，以形成另一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶。与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明目的在于提供一种偏振保持平面光波光路，使得在其中传输的光波的偏振态保持不变，从而有效降低由于偏振相关以及由此引起的偏振相关损耗、色散、相位变化。偏振保持平面光波光路的结构基于普通的平面光波光路结构，通过在缓冲层或者覆盖层中放置折射率不同的柱体阵列，可以实现偏振保持的目的。可见其结构易于实现，相对简单。相比于普通的偏振保持波导，一般利用高双折射材料，例如铌酸锂等，本发明利用各项同性半导体材料，很容易的实现高双折射效应，从而达到偏振保持的目的。本发明一种偏振保持平面光波光路的制备方法基于平面光波光路工艺，利用的半导体材料，其工艺和IC工艺具有很好的兼容性，很容易的制造，从而很好的降低成本。通过对柱体阵列5的形状和折射率进行优化设计，可以得到满足偏振保持波导所需的模式双折射程度B到达1*10_4到6*10_4的要求。从而可以很好的减低由于偏振相关引起的偏振相关损耗、色散、相位变化等问题。可见本发明偏振保持平面光波光路，具有易于实现，工艺成熟且和IC工艺兼容性好，具有高双折射效应，可以使其中传输的光波的偏振态保持不变，从而能够保证光子集成器件的性能，为实现光通信、传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I是普通平面光波光路截面示意图；图2是一种缓冲层中存在线膨胀系数不匹配结构的波导截面示意图；图3是缓冲层和覆盖层都有线膨胀系数不匹配结构的波导截面示意图；图4是偏振保持平面光波光路缓冲层放置线膨胀系数不匹配结构示意图；图5是缓冲层制作；图6是线膨胀系数不匹配结构制作； 图7是波导层制作；图8是光刻波导图形和刻蚀波导芯层结构；图9是覆盖层制作；图10是制作与波导层厚度相同的覆盖层；图11是覆盖层中线膨胀系数不匹配结构制作；
图12是覆盖层中存在线膨胀系数不匹配结构的覆盖层制作完成；
图13是线膨胀系数不匹配结构与波导的间距t和模式双折射程度的关系曲线 图14是线膨胀系数不匹配结构间距d和模式双折射程度的关系曲线图。图中1是衬底；2是缓冲层；3是波导芯层结构；4是二氧化硅覆盖层；5是柱体阵列。
具体实施例方式为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。实施例I :参照图2所示，一种缓冲层中存在线膨胀系数不匹配结构的偏振保持平面光波光路，包括衬底1，缓冲层2，芯层3，覆盖层4与缓冲层中的线膨胀系数不匹配结构5组成的。其特征在于结构上的创新和工艺成熟且兼容性好。主要体现在第一，结构创新方面，通过在缓冲层2添加线膨胀系数不匹配结构5，得到偏振保持平面光波光路。与采用双折射材料、芯层与衬底、包层大折射率差、多包层结构相比，本发明的结构是具有独创性的。第二，工艺成熟和兼容性方面，平面光波光路工艺目前非常成熟，成本很低，而且平面光波光路在制作工艺上和IC工艺相兼容，可见本发明工艺成熟，易于实现，兼容性非常好。参照图5-9所示，下面详细介绍一种偏振保持平面光波光路的制备方法。步骤I :缓冲层制作。参照图5所示，首先利用湿化学法清洗硅片即硅衬底1，去除表面的污物。然后，经过去离子水超声波的超声清洗和干燥，完成了硅片的清洗。接下来制备二氧化硅缓冲层2，制备二氧化硅缓冲的方法有多种化学气相沉积法(CVD)、火焰水解法(FHD)、溶胶凝胶法(Sol-Gel)、热氧化法(TO)等。由于热氧化法一次热氧化可以同时对百余片的硅片进行氧化，在实际生产中具有较高的效率，而且可同时对硅衬底的正反两面同时氧化，从而可以消除附加应力。因此，利用热氧化法在硅衬底上制备厚度15um到20um的二氧化硅缓冲层。步骤2 :线膨胀系数不匹配结构制作。参照图6所示，在缓冲层2上面放置线膨胀系数不匹配结构5。其中线膨胀系数不匹配结构5具有多种结构形状空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱和实心方形柱，折射率的变化范围可以为I到3. 5。本实施例以空心玻璃毛细管为例，做详细说明。首先，在缓冲层2上面均匀的涂一层胶，通常采用紫外胶。然后在高倍率(1000倍-3000倍)显微镜下面，通过微结构操作在缓冲层2上面排列间距为5um，直径为Ium的空心玻璃毛细管，如图6。最后清洗掉多余的胶，准备下一步工艺。步骤3 :波导层制作。参照图7所示，首先完成缓冲层的制备，然后制作波导层。完成图6所示结构以后，利用湿氧氧化厚度为Ium — 5um的二氧化硅缓冲层，从而完成缓冲层的制备。接下来，利用PECVD方法，以硅烷(SiH4)和氧气，或者是一氧化二氮(N2O)为反应气体，在温度为250°C—400°C下，通过在二氧化硅中掺杂二氧化锗(GeO2)得到波导的芯层，且芯层和缓冲层折射率差为O. 4%。步骤4 :光刻波导图形和刻蚀波导芯层结构。参照图8所示，在完成了掺杂二氧化硅波导层后，需要利用光刻和刻蚀工艺制备波导芯层结构。利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，具体分为8步步骤4. I表面处理光刻的第一步是增强基片和光刻胶之间的黏附性。因此样片 表面必须是清洁和干燥的，并且用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行表面浸润，可以起到黏附促进剂的作用。步骤4. 2旋转涂胶表面处理后，样片要立即采用旋转涂胶的方式涂上液相光刻胶材料，期间样片被固定在一个真空载物台上。光刻胶的厚度、均匀性、颗粒沾污、针孔等指标和旋涂所采用的时间、速度以及装置都有很大的关系。典型的转速在2000— 8000r/min之间，大约10s，可以甩出多余的光致抗蚀剂，从而得到厚度均匀的薄膜。。步骤4. 3前烘焙光刻胶被涂到样片表面后必须烘焙使之成膜，并提高光刻胶和基底的黏附性，光刻胶的均匀性在这一步骤也会得到提升，典型的前烘焙条件是在热板上90。。到100。。烘30秒，然后自然冷却。步骤4. 4对准和曝光在曝光之前，必须对样片和光掩膜版图形进行位置对准，以保证设计图形在样片的合适位置。然后经过曝光，让光能激活光刻胶中的光敏成分。由于光掩膜版对光的选择性透过，因此光刻胶中的光敏成分也是被选择性的激活。这一步骤是限制线宽的重要一步。步骤4. 5后烘焙后烘焙的重要作用是使光敏成分的反应更加彻底，并形成稳定的分布，其烘焙温度通常会高于前烘焙温度10°c到20°C，即在热板上100°C到120°C烘30秒,然后自然冷却。步骤4. 6显影显影是在样片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶中的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在样片表面。最通常的显影方法是浸泡，然后用去离子水冲洗后甩干。浸泡的时间和温度是十分重要的两个控制因素。典型的采用O. 6%的NaOH显影液，常温下显影时间在140s — 190s。步骤4. 7坚膜烘焙显影后的热烘就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的黏附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀过程非常关键。坚膜烘焙的温度通常要高于后烘温度10°C到20°c，g卩110°C到140°C烘30秒，然后自然冷却。步骤4. 8检查利用高倍率的显微镜观察晶圆上面图形的质量。一旦光刻胶在样片表面形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。检查的目的一是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求，二是如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把她们除去，样片返工。如果光刻图形存在缺陷，对于波导的性能来说是灾难性的，因此必须在刻蚀之前进行检查。接下来，利用刻蚀工艺来制备所需要的波导结构。首先利用反应离子刻蚀RIE工艺，Cl2为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4. 67Pa,刻蚀氢化无定形硅a-Si:H或多晶硅poly-Si掩膜；然后在丙酮中浸泡IOmin去除残留的光刻胶，烘干后进行SiO2波导的刻蚀，刻蚀条件为射频功率80W —300W ;工作压强2. 67Pa—26. 67Pa ;02与CHF3流量比为O. 05—1 ；02与CHF3的总流量20sccm — 300sccm。从而得到波导芯层结构。步骤5 :覆盖层制作。参照图9所示，对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG(B2O3-P2O5-SiO2gIass) 二氧化硅覆盖层、退火等工艺制得波导。图13和图14给出了关于偏振保持波导的数值分析结果。图13为线膨胀系数不匹配结构与波导的间距离和模式双折射程度的关系，其中横坐标t为线膨胀系数不匹配结构和波导的间距。图14为线膨胀系数不匹配结构间距和模式双折射程度的关系，其中横坐标d为线膨胀系数不匹配结构的间距。由图13和14可见本发明可以很好的实现偏振保持，从而达到偏振保持平面光波光路的目的。由此可见本发明，一种偏振保持光波具有易于实现，工艺成熟且兼容性好，具有高双折射效应等特点，可以使其中传输的光波的偏振态保持不变，从而能够保证光子集成器件的性能，为实现光通信、传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。实施例2 :实施例I在覆盖层制作之前，先对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜，然后沉积BPSG 二氧化硅覆盖层，厚度和波导的厚度一样，如图10所示。然后，在覆盖层上面放置线膨胀系数不匹配结构，如图11所示；且该结构可以为空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱或者实心方形柱。最后，沉积BPSG 二氧化硅覆盖层，厚度为15um，如图12所示。实施例3:一种偏振保持平面光波光路，包括衬底1，在衬底I上设有缓冲层2，在缓冲层2上设有波导芯层结构3，在波导芯层结构3和缓冲层2上铺设有二氧化硅覆盖层4，其特征在于，在缓冲层2内设有折射率不同于缓冲层2的第一柱体阵列，所述的第一柱体阵列由平行排列的柱体5构成。在本实施例中，在波导芯层结构的上方设有第二柱体阵列，所述的第二柱体阵列由平行排列的柱体5构成；柱体5为空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱或实心方形柱。实施例4—种偏振保持平面光波光路的制备方法步骤I :取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15um到20um的二氧化硅缓冲层；步骤2 :在二氧化硅缓冲层上涂一层胶，并将柱体5平行排列在胶上，以形成一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶；
步骤3 :利用湿氧氧化方法，在柱体阵列和15um到20um的二氧化硅缓冲层上再制备一层厚度为Ium — 5um的二氧化硅缓冲层，从而完成缓冲层2的制备；然后，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，250°C—400°C下，在Ium — 5um的二氧化硅缓冲层上生长二氧化硅的同时掺杂二氧化锗(GeO2),得到厚度为Sum的波导芯层，且使波导芯层和缓冲层折射率差为O. 4% ；步骤4 :利用光刻和刻蚀工艺制备波导芯层结构；步骤5 :对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层，最终得到偏振保持平面光波光路。在本实施例中，在进行步骤5的对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜之后且在进行步骤5的沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层之前，进行如下操作在波导芯层结构的两侧厚度与波导芯层结构相同的二氧化硅覆盖层；再在二氧化 硅覆盖层上涂一层胶，并将柱体5平行排列在胶上，以形成另一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶。
权利要求
1.一种偏振保持平面光波光路，包括衬底(I )，在衬底(I)上设有缓冲层(2)，在缓冲层(2)上设有波导芯层结构(3)，在波导芯层结构(3)和缓冲层(2)上铺设有二氧化硅覆盖层(4)，其特征在于，在缓冲层(2)内设有折射率不同于缓冲层(2)的第一柱体阵列，所述的第一柱体阵列由平行排列的柱体(5)构成。
2.根据权利要求I所述的偏振保持平面光波光路，其特征在于，在波导芯层结构的上方 设有第二柱体阵列，所述的第二柱体阵列由平行排列的柱体(5)构成。
3.根据权利要求2所述的偏振保持平面光波光路，其特征在于，柱体(5)为空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱或实心方形柱。
4.一种权利要求I所述偏振保持平面光波光路的制备方法，其特征在于， 步骤I :取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15um到20um的二氧化硅缓冲层； 步骤2 :在二氧化硅缓冲层上涂一层胶，并将柱体(5)平行排列在胶上，以形成一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶； 步骤3 :利用湿氧氧化方法，在柱体阵列和15um到20um的二氧化硅缓冲层上再制备一层厚度为Ium — 5um的二氧化硅缓冲层，从而完成缓冲层(2)的制备；然后，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，250°C—400°C下，在Ium — 5um的二氧化硅缓冲层上生长二氧化硅的同时掺杂二氧化锗(GeO2),得到厚度为Sum的波导芯层，且使波导芯层和缓冲层折射率差为O. 4% ； 步骤4 :利用光刻和刻蚀工艺制备波导芯层结构； 步骤5 :对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层，最终得到偏振保持平面光波光路。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤5的对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜之后且在进行步骤5的沉积硼磷硅BPSG 二氧化硅覆盖层之前，进行如下操作 在波导芯层结构的两侧厚度与波导芯层结构相同的二氧化硅覆盖层；再在二氧化硅覆盖层上涂一层胶，并将柱体(5)平行排列在胶上，以形成另一个柱体阵列，然后，洗掉多余的胶。
全文摘要
本发明涉及偏振保持平面光波光路及制备方法，属于集成光电子器件技术领域。偏振保持平面光波光路结构包括衬底、缓冲层、芯层和覆盖层，在缓冲层内设有折射率不同于的第一柱体阵列；或者在覆盖层内设有第二柱体阵列。所述柱体阵列由平行排列的柱体构成，该结构可以为空心玻璃毛细管、实心玻璃毛细管、空心方形柱或者实心方形柱，由此结构构成的平面光波光路具有高双折射效应，可有效地解决在平面光波光路中传输光波偏振相关问题。本发明易于实现，工艺成熟和半导体工艺兼容性好，为实现光通信、传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。
文档编号G02B6/126GK102890308SQ201210297039
公开日2013年1月23日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者孙小菡, 蒋卫锋, 柏宁丰, 胥爱民, 鲁仲明 申请人:东南大学, 南京华脉科技有限公司