一种平面光波导及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种平面光波导及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在光学技术领域，单一形式的各类光学元件目前走向集成光学之路，将光学模块 整合在晶圆（wafer)上，形成集成光路的基础性部件，有助于光通信组件集成化、缩小体 积、减少封装次数，具有大规模化生产，而且低成本、高性能、高密度器件整合等优势，是光 纤通信系统的必要组成部分。
[0003] 所谓平面光波导（Planar Lightwave Circuit，简称PLC)，是指光波导位于一个 平面内。如同IC芯片的概念，平面光波导是采用半导体工艺将光学元件集成到一块芯片 上，实现对光信号复杂控制处理功能的光器件技术，已经大量应用的PLC器件有光分路器 (Splitter)、阵列波导光栅（AWG)、光开关（Switch)、可调光衰减器（VOA)、光波导模式光谱 (OWLS)传感器等。目前，无源器件与有源、MEMS融合是PLC技术的重要发展方向，可开发出 新型的多功能集成器件，如VMUX(V0A+AWG)、WSS(Switch+AWG)、加速度计、压力传感器、微型 麦克风（智能手机）等。PLC不但能实现光电器件集成化、规模化、小型化，而且具有性能稳 定、适于规模化生产、成本低等优势。
[0004] 可制作PLC的材料有二氧化硅（SiO2)、铌酸锂（LiNbO3)、III-V族半导体化合物 (如InP，GaAs)、绝缘体上娃（Silicon-〇n_Insulator，SOI)、氮氧化娃（SiON)、玻璃和聚合 物（Polymer)等。光波导芯层材料传输光信号，要求传输损耗低、膜层厚度和折射率均匀一 致、双折射小，且与包层的界面光滑平整。PLC要求包层足够厚，如0. 34-0. 75 Δ %光波导需 要上下包层厚度达到12-20 μ m，以保证传输的光波不会被泄漏；其次包层材料的温度特性 与芯层差异要小，以减小波导中产生应力双折射而影响性能，如AWG偏振相关性和中心波 长温度敏感性；此上包层材料应具有良好的流动性，因为光波导芯层已被刻蚀出台阶和沟 槽状，这样容易完全填充芯层与包层的空隙达到紧密的包裹效果。通常在SiO 2材料中需掺 入一定的B203、P2O 5和GeO 2等，调节SiO 2的折射率、热膨胀系数和软化温度。
[0005] PLC集成度增高要求光波导的尺寸更小，其弯曲半径更小。表1是光波导设计 Δ %、厚度、宽度与性能的对照表，芯层Δ增加对于大通道AWG，VMUX和环形振荡滤波器等， 具有十分关键的意义。但是随着芯层△增加，损耗也增加。
[0006] 表1.光波导设计参数：△ %、厚度、宽度与性能
[0007]
【主权项】
1. 一种平面光波导，其特征在于，包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包 层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层 上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上。
2. 如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述隔离层的厚度为1-10 y m。
3. 如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述隔离层的材料为掺杂有氟和锗 的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-2%，所述锗的掺杂质量为所 述二氧化硅质量的3-6%，且所述氟和锗的掺杂质量比大于1: 3。
4. 如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述上包层的材料为掺杂有氟和锗 的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-3%，所述锗的掺杂质量为所 述二氧化硅质量的3-6%，且所述氟和锗的掺杂质量比为1:3。
5. 如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述波导芯层的材料为掺杂锗的二 氧化硅；所述下包层的材料为二氧化硅；所述隔离层与所述上包层或所述下包层的相对折 射率差Δ为0. 1% -0. 3%。
6. 如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述下包层还作为衬底；或者所述平 面光波导还包括衬底，所述衬底的材料为硅或者二氧化硅。
7. -种权利要求1-6任一所述的平面光波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 在所述下包层上形成隔离层的第一部分； (2) 在所述隔离层的第一部分上形成芯层； (3) 刻蚀所述芯层，形成具有预设结构的所述波导芯层； (4) 在所述波导芯层和所述隔离层的第一部分上形成隔离层的第二部分，所述隔离层 的第二部分完全填充所述预设结构的间隙，所述隔离层的第一部分和第二部分组成所述隔 离层，并将所述波导芯层完全包覆； (5) 在所述隔离层的第二部分上形成所述上包层。
8. 如权利要求7所述的平面光波导的制备方法，其特征在于，所述步骤（3)包括如下步 骤： (3. 1)在所述芯层上涂覆一层光刻胶，并通过光刻工艺形成具有预设图案的光掩膜； (3. 2)刻蚀所述芯层，得到具有预设结构的所述波导芯层； (3. 3)去除所述光掩膜。
9. 如权利要求7所述的平面光波导的制备方法，其特征在于，所述步骤（1)中和 /或步骤（4)中采用等离子增强化学气相沉积工艺，然后进行高温退火处理后形成；所 述等离子增强化学气相沉积工艺为：在生长温度为250-360 °C，气体流量比10-15% GeH4: C2F6: SiH4: N2O 为 15-22:9-13:15-20:1800-2400sccm，射频输入功率为 600-750W，沉积 腔压强为350-400mT〇rr的条件下沉积10-15分钟；所述高温退火处理的工艺条件为：在氧 气和惰性气体的气氛下，升温50-150分钟，在900-1000°C内恒温20-40分钟，然后自然冷却 至 20-30 °C。
10. 如权利要求7所述的平面光波导的制备方法，其特征在于，所述步骤（5)包括如下 步骤： (5. 1)利用氢氧气燃烧器，采用火焰水解法在所述隔离层的第二部分上形成疏 松的上包层，所述火焰水解法的工艺条件为：H2:3-6slm ;02:6-12slm ;Ar:3-6slm ; SiCl4:60-100sccm ；GeCl4:8-16sccm ；SiF45-10sccm ； (5.2)将所述疏松的上包层进行高温致密硬化处理，然后自然降温至20-30°C，所 述高温致密硬化处理的工艺条件为：在氧气和惰性气体的气氛下，升温30-120分钟，在 900-1100 °C 内恒温 20-40 分钟。
【专利摘要】本发明公开了一种平面光波导及其制备方法，所述平面光波导包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上。本发明可以使得平面光波导的折射率分布更优，降低器件损耗，可以更容易实现1250-1650全带宽性能。
【IPC分类】G02B6-13, G02B6-122
【公开号】CN104635298
【申请号】CN201510073921
【发明人】林升德, 吴金东, 胡海鑫
【申请人】深圳太辰光通信股份有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月11日