光学波导及其制备方法

专利名称：光学波导及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用火焰水解法制备的光学波导以及制备光学波导的方法，具体地说，涉及一种形成由含磷玻璃层构成的波导芯体和包层的方法。
光学波导预期是光学系统中有前途的基础器件之一。人们已提出了许多种类型的波导，其中的一种波导，它的芯体(Core)主要是由石英形成的，该芯体的周围由包层围绕着，因此信号束被限制在芯内传输。这一类型的波导具有用火焰水解工艺制备的芯体和包层。例如，有一种熟知的火焰水解技术(日本专利公开105111/1983)由三个部分组成，即，由火焰燃烧器淀积精细的玻璃颗粒以形成多孔性的细粒层，并加热和使玻璃颗粒层玻璃化。
但是用这种普通的火焰水解法制备的光学波导，其传输损耗还不够低。本申请的发明者发现它们的高传输损耗是由芯内或包层内磷的浓度不均匀引起的。
本发明的目的是提供一种具有磷浓度均匀分布的包层或芯体的光学波导和制造这种光学波导的方法。
根据本发明，第一种制备光学波导的方法是涉及到制备这样一种光学波导的方法。这种学光波导具有形成在衬底上以石英为主要成份的下包层、形成在下包层上以石英为主要成份的芯体，和一个形成在下包层上并把芯体埋入的上包层。形成下包层的工艺为一火焰水解步骤，即向燃烧器提供含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的精细颗粒并将其淀积在衬底上以形成下部玻璃精细颗粒层。该火焰水解工艺是由下面几个步骤组成的，一个步骤是在一个时间间隔内使含磷气体的流量相对于含硅气体的流量是增加的，一个步骤是加热下部玻璃精细颗粒层并使之玻璃化。
在这一下包层的火焰水解淀积步骤中含磷气体的流量可以是台阶函数式地瞬态增加也可以是线性地增加。在该淀积步骤中含磷气体的最小流量为0。
第二种制备含高均匀磷浓度的下包层的方法可包括下面几个步骤即，下包层可通过数次重复下面几个步骤来形成，一个步骤是向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒以形成玻璃精细颗粒层，一个步骤是将玻璃精细颗粒层加热并使之玻璃化。
在第一种和第二种方法的下包层火焰水解淀积步骤中，含硅气体可以是四氯化硅(SiCl4)，含磷气体可以从三氯氧磷(POCl3)、四氯化磷(PCl4)及其混合物中任选一种。
在第一种和第二种制备方法中，可按照下面的顺序来形成芯体。先是火焰水解步骤向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器将以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒吹喷到下包层上以形成芯体玻璃精细颗粒层，然后是玻璃化步骤将芯体玻璃精细颗粒加热并使之玻璃化折形成芯体层，再就是光刻步骤用光刻方法腐蚀芯体层以露出下包层。
这一芯体也可以按下面的顺序来形成。即，在第一种方法中在形成下部玻璃精细颗粒层的火焰水解步骤之后，进行火焰水解步骤向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒并将它淀积在下部玻璃精细颗粒层上;接着进行玻璃化步骤将下部玻璃精细颗粒层和芯体玻璃精细颗粒层加热使它们都玻璃化以形成一芯体层，再下一步骤是用光刻方法腐蚀芯体层以露出下包层。
在第一种和第二种制备方法中，芯体可以用形成下包层所用的火焰水解步骤和玻璃化步骤来形成。同样，在上包层的火焰水解步骤中，含硅气体是四氯化硅，含磷气体由三氯氧磷、四氯化磷及其混合物中任选一种。
用这些方法可获得一种光学波导，其下包层和上包层中至少一个是用磷掺杂的，且该掺磷层的磷浓度在该层的厚度方向上是均匀的，其厚度方向上的最大磷浓度由100表示时，最小值为75。
在第一种制备光学波导的方法中，包括在淀积用作包层的玻璃精细颗粒层时突出增加供应给火焰燃烧器的含磷气体供给量的步骤，完成后的玻璃化了的光学波导膜中的磷浓度可基本均匀。尽管从经验上尚未肯定，一般还是假定来自火焰燃烧器的磷不仅加入到了待淀积出的玻璃精细颗粒层中而且还加入到已淀积出的玻璃精细颗粒层中。据此，一般认为玻璃精细颗粒层的较下层部分分布的磷较多。在形成玻璃精细颗粒层时，当淀积玻璃精细颗粒层的较下层部分时，磷的加入量小些，然后随着淀积的进程增加磷的量，因此，可以认为磷可以均匀分布在玻璃精细颗粒层内。因而，完成后的玻璃化了的光学波导膜内折磷的浓度能够是均匀的。
当这些膜中的低的磷浓度是必须时，淀积精细颗粒时不向火焰燃烧器供应含磷气体，因而一般磷的浓度可以很低。
在按照本发明的制备光学波导的方法中，用作芯体层或包层的玻璃是由含磷玻璃膜形成的。玻璃膜的较下层磷的分布较多。但当形成玻璃膜的厚度小于10μm时，磷的分布的变化可以做得小些。通过形成这样的玻璃膜，可以形成所要求厚度的磷分布变化小的芯体层或包层。
按照本发明这样制备的光学波导没有局部偏离的磷沉积。
下面结合


本发明。
图1A、1B、1C、1D和1E为各个制备步骤中光学波导的横截面图。
图2是第一个实施例中形成下包层所用的原料气体供给量的曲线图。
图3是第一个实施例中形成芯体层所用的原料气体供给量的曲线图。
图4是根据第一个实施例的方法形成的玻璃膜组份的曲线图。
图5是在第一个实施例中用于制备芯体层的原料气体供给蛳的曲线图。
图6是用第一个实施例制备的光学波导的玻璃膜的组份图。
图7是第二个实施例中用的原料气体的供给量图。
图8是用第二种实施例制备的光学波导的玻璃膜的组份图。
图9是第二个实施例控制所用的原料气体供给量的曲线图。
图10是按上述控制制备的光学波导的玻璃膜的组分图。
图11A、11B、11C和11D是各制备步骤中光学波导的横截面图。
图12A、12B、12C和12D是各制备步骤中光学波导的横截面图。
图13是根据第三个实施例的方法制备的玻璃膜的组份曲线图。
图14是根据第四个实施例的方法制备的玻璃膜的组份图。
图15是是用两种控制制备的玻璃膜的组份图。
图16A、16B、16C和16D是三氯氧磷供气量变化的图形。
图17A是制造部件的内部结构透视图，图17B表示其局部详细情况的透视图。
图18是三氯氧磷供气系统的说明图。
下面具体说明本发明的第一个实施例。在第一个实施例中，一个包层和一个芯体层将使用图17A那样的装置采用下面的火焰水解法来制备。
每一个其上待淀积玻璃精细颗粒的硅衬底110是一个直径3英寸(75mm)的硅片，而硅衬底固定在反应室300内的一个转盘16上。反应室300是一个矩形平行六面体容器，宽为740mm，厚为760mm，高为200mm。反应室300内的气压用一个除气器真空泵减压(排气量-0.1至-0.3mmH2O)。
转盘16的直径为600mm，并含一个内嵌式加热器(以图17B所示)。一个镍铬一镍铝热电偶与转盘相接触，所以由加热器301加热的硅衬底110的温度可间接的监测。
这样，要淀积玻璃精细颗粒的硅衬底表面温度能维持在600℃左右，这一温度由热电偶302测定。从火焰燃烧器吹喷出来的玻璃精细颗粒淀积在硅衬底上。转盘16以每分钟旋转10次的速度转动，与此同时，火焰燃烧器12沿转盘的直径方向上来回摆动，在200mm的范围内平均速度为6mm/分钟。所以，从火焰燃烧器12出来的玻璃精细颗粒14均匀地淀积在衬底110上。。在靠近各个硅衬底110的地方设有一个排气管20用来排出剩余的玻璃精细颗粒14。在淀积玻璃精细颗粒时硅衬底110的表面温度用一个辐射温度计303来测量。这个光学高温计303的型号为IT-1650(KEYENCE株式会社)。在淀积玻璃精细颗粒14期间，硅衬底110由火焰燃烧器加热，它的表面温度由辐射温度计测出约为550℃。也就是说，由热电偶302间接测量到的硅衬底110的温度为600℃，而用光学高温计303沿到的硅衬底110的温度为550℃。在反应室300内壁装有一层绝热材料，所以反应室300内温度均匀。
这样，淀积在硅衬底110上的玻璃精细颗粒14与硅衬底一起被加热到高温并被玻璃化，从而形成玻璃膜。
硅衬底用化学表面处理和热清洗来清洁处理。也就是说，硅衬底先用氢氟酸进行化学表面处理，然后装入反应室300内由转盘16的电阻加热器加热到600℃(由热电偶302测定)进行热清洗，与此同时使按设定的比例供入氢气和氧气的火焰燃烧器扫过硅衬底110的表面。温度由热电偶测量。上升到600℃的升温速率为5℃/分钟。
使用这一装置，在每一个硅衬底10上淀积一层作为下包层的SiO2-P2O5-B2O3下部精细颗粒层(玻璃精细颗粒层)，然后淀积作为芯体层的SiO2-GeO2-P2O5-B2O3芯体精细颗粒层130(玻璃精细颗粒层)(图1A)。供给火焰燃烧器12的原料气体的供应量如下表所示。形成作包层用的下部精细颗粒层120的供气时间顺序示于图2，而形成用作芯体层的芯精细颗粒层130的供气的时间顺序示于图3。
淀积期间用光学高温计303测出的温度为550℃。
1)淀积作下包层用的下部精细颗粒层的气体流量和时间(45分钟)四氯化硅100毫升/分三氯氧磷3.0毫升/分(淀积开始后通15分钟)三氯氧磷5.0毫升/分(淀积结束后通30分钟)三氯化硼15毫升/分氩气2升/分氢气2升/分氧气6升/分2)淀积作芯体层用的芯体精细颗粒层的气体流量。
(15分钟)四氯化硅100毫升/分四氯化锗10毫升/分三氯氧磷5.0毫升/分三氯化硼15毫升/分氩气2升/分氢气2升/分氧气6升/分供应气体的流量用NIPPONTYLAN株式会社制造的流量控制器测量。火焰燃烧器12如图7B所示由4个同心套合在一起的筒组成。火焰燃烧器12的最内层的圆筒供入反应气体，如，三氯氧磷气体，四氯化硅，四氯化锗，三氯化硼等。氢气供入最内层圆筒和第二个内层圆筒之间。上面说到的流量为2升/分的氩气由第二和第三圆筒之间供入。氧气由第三和第四圆筒之间供入。使氩气在氧气和氢气之间流出是为了抑止氢气和氧气在气体燃烧器12的喷气孔端部的反应。
前面说及的三氯氧磷气体是用图18所示的装置由氩气携带供送入反应室300的，这里的氩气与流量为2升/分的抑制氢和氧反应的氩气流不同。在这一装置中，氩气首先通过管道184引入装三氯氧磷的容器181中，其流量由流量控制器180控制。然后，使氩气在液态三氯氧磷中起泡，含有三氯氧磷气体的氩气被引入管道182。管道182与反应室300相连，将氩气和三氯氧磷气体供入反应室内的火焰燃烧器12中。管道182的一部分置入冷却它用的冷凝器183内，以使流过管道182的气体被保持在一个设定的温度上。
三氯氧磷的流量在一定的时间间隔内为5毫升/分。在这一时间间隔内，容器181的温度为25℃，而冷凝器183的温度为20℃，三氯氧磷的蒸汽压为30毫米汞柱高，氩携带气体的流量为121.7毫升/分，这一流量相应于三氯氧磷的流量为5毫升/分。氩气是惰性气体，不会和三氯氧磷起反应，它是三氯氧磷的有效的携带气体。其他稀有气体(如氦、氖、氪、氙等都可以用作为三氯氧磷的携带气体。
在这一实施例中，三氯氧磷被用作掺磷剂，但是四氯化磷也可以用于代替三氯氧磷。
将这样淀积得到的图1A所示的玻璃精细颗粒层120、130的双层结构在氦∶氧＝10∶1的气氛中加热到1380℃而被玻璃化，制备出包括下包层122和芯体层132的透视玻璃膜(图1B)。用于玻璃化的加热温度由一个插入电炉(图中未示出)的铂-铂铑(13%)热电偶测定。
这样制备出来的玻璃膜的厚度方向上的五氧化二磷的浓度分布由一个(未图示出的)EPMA(电子探针X射线微分析仪)分析。在这一实施例中所用的EPMA测量装置是由Nippon Denshi株式会社(JEOL有限公司)产的GXA-8621M型装置。在测量它的浓度时，下包层122和芯体层132用金刚石磨料抛光，以露出厚度方向的截面。抛光时，依次用9μm、3μm和1μm粒度的金刚石磨料，以使露出的截面尽可能平滑。将这样制备出来的样品装入EPMA测量装置内，用7千伏的加速电压和2×10-7安的电流来测量磷的浓度。
这样形成的下包层122和芯体层132分别厚10±0.6μm和30±1.5μm的厚度。用日本电子株式会社产的扫描电子显微镜来测量厚度。测到的磷的浓度分布示于图4。
图4中的实线表示图1B中α-α′截面上的五氧化二磷(P2O5)的浓度分布(Wt%)。为图4所示，下包层122内P2O5的浓度在1.2-1.4Wt%的范围内。可以看出玻璃膜在厚度方向有一个磷浓度的均匀分布。下包层122内B2O3的浓度为1.8Wt%基本均匀。芯体层132含有Ge，其折射率比下包层122和其后形成的上包层142的折射率高。
在形成玻璃精细颗粒层时增加磷的供给量能够使下包层中磷浓度均匀的原因可作为如下考虑。在火焰燃烧器12中的磷被掺入已形成的玻璃精细颗粒层上。因此掺入玻璃精细颗粒层的磷的量是淀积期间掺入的量与淀积后掺加入的量的总和。尽管这与玻璃精细颗粒层的厚度有关，然而，一般认为在淀积玻璃精细颗粒层过程中提供给火焰燃烧器的磷供给量的改变所起的作用比淀积后改变磷的供给量的作用要大。所以，如上所述在淀积过程中适当调节增加供给火焰燃烧器12的磷供给量，就可以使玻璃精细颗粒层内或其玻璃化之后得到的光学波导内的磷浓度保持基本均匀。此外，一般还认为形成下部玻璃精细颗粒层120之后的加热玻璃化过程使磷充分地扩散，结果使下包层122内磷的浓度更加均匀。
图4中的点划线和虚线表示为验证上述效果所进行的控制的结果。图4中的点划线表明在下述情况下经玻璃化的玻璃膜的组份分析结果。即，在形成下部精细颗粒层120将三氯氧磷的供给量始终保持在5.0毫升/分(其他条件与图1A和1B中所示的各步的相同)。下包层中五氧化二磷的浓度在靠近衬底处为2.2Wt%，厚度方向上20μm处的浓度为1.4Wt%(原点设在衬底与下包层之间的边界上)，而且发现磷的浓度分布在厚度方向上偏离很大。
图4中虚线所表示的是在形成下部精细颗粒层120时三氯氧磷的供给量始终保持在3.0毫升/分的条件下(其他条件与图1A，1B的各步相同)玻璃化后的玻璃膜组份的分析结果。下包层122内的五氯化二磷浓度在靠近衬底处为1.3Wt%，下包层122内厚度方向上20μm处的浓度为0.8Wt%。与点划线表示的情况相比，磷浓度分布有大的偏离。
于是，根据这一实施例制备光学波导的方法，能制备出这样的光学波导，其掺磷下包层122或上包层142在厚度方向上磷的浓度分布为当厚度方向的最大浓度定为100时其最小浓度为75。在这一实施例中，最小值大于95。
用光刻工艺和反应离子腐蚀(RIE)将图1B中待形成芯体层132的玻璃膜的一个区域制成10μm宽的直线脊形区，这就形成了芯体132a(图1C)。这样形成的芯体132a宽8μm，厚亦为8μm。用于RIE中的反应气体为丙烷(C3H8)和四氯化碳(CCl4)。在芯体132a和下包层122上，用45分钟时间淀积SiO2-P2O5-B2O3玻璃精细颗粒层140用于形成上包层。淀积条件与淀积下包层122略有不同，供给火焰燃烧器12的原料供给量如下表给出。图5示出了用于形成玻璃精细颗粒层140的供气时间顺序。
1)用作上包层的上部精细颗粒层四氯化硅100毫/分三氯氧磷10.0毫升/分(淀积开始后维持15分钟)
三氯氧磷15.0毫升/分(淀积结束后维持30分钟)三氯化硼50毫升/分氩气2升/分氢气2升/分氧气6升/分转盘16的转数、转盘的直径、火焰燃烧器横扫的条件等均与图1A所示的各个步骤中的相同。三氯氧磷的流量在一定的时间间隔内为10毫升/分。在这一时间间隔内，容器181的温度为40℃，冷凝器183的温度为35℃，，三氯氧磷的蒸汽压为60毫米汞柱高，携带气体氩气的流量为116.7毫升/分，这相当于三氯氧磷气体的流量为10毫升/分。
将形成在由芯体132a和下包层122组成的玻璃膜上的玻璃精细颗粒层140在氦∶氧＝10∶1的气氛中加热到1250℃进行玻璃化，就制备出了一种在下包层122和上包层142之间含有芯体132a的光学波导。图1E示出了该光学波导的横截面结构。如图1E所示，下包层形成在硅衬底110上，并将芯体132a制成直线脊状。再形成上包层142把芯体132a复盖住。图1E中的光学波导在A-A′截面上的元素分布按同样的方法用EPMA来测量。
图6中的实线表示A-A′截面内的五氧化二磷(P2O5)的分布。可以看到，上包层142中五氧化二磷的浓度在3.7-4.0Wt%的范围内，在厚度方向上基本均匀。上包层142最上部(玻璃膜中厚度方向上的65-70μm处)五氧化二磷的浓度下降，人们认为这对芯体132a内光学波导的状态基本上无影响。
图6中点划线和虚线表示供验证上述效果所进行的控制的结果。图6中的点划线表示的是在形成玻璃精细颗粒层时保持三氯氧磷的供给量始终为15毫升/分的条件下(其他条件与图1D和1E中的各步骤的相同)，玻璃化后的玻璃膜组份分析的结果。在上包层142内五氧化二磷的浓度在5.9-4.0Wt%范围内变化，而且还发现深度方向磷浓度不可能做到均匀分布。
图6中的虚线所表示的是在形成玻璃精细颗粒层中过程中将三氯氧磷的供给量保持在10毫升/分的条件下，玻璃化后的玻璃膜内组份分析的结果(其他条件与图1D和1E中的各步骤的相同)。在上包层142内的五氧化二磷在4.0-2.6Wt%的范围内偏离，而且发现深度方向的磷的浓度不能做得均匀。
从图4和图6的结果表明，本发明的制备光学波导的方法中即使作某些条件上的改变，包层122、142也能具有基本均匀的磷组份。就是说，适当的调节增加供给到火焰燃烧器12的磷的供给量，能保持玻璃化后的光学波导内含的磷浓度基本均匀。因此，包层和芯体的折射率分布能制备的基本均匀。这样制备的光学波导所具有传输损耗小。
下面说明本发明的第二个实施例。这一实施例制备光学波导的方法是为了保证玻璃膜内宽度方向有均匀的磷浓度。
这一实施例与第一实施例相同，但与后者在图1D的步骤中在玻璃膜(下包层122和芯体132a)上形成玻璃精细颗粒层140的条件上有差别，以及后面的热处理条件上也有小的变化。
从开始到做完图1C(图1C这一步中把芯体层132做成脊形)的步骤为止，形成芯体132a。然后，在其上淀积作上包层用的SiO2-P2O5-B2O3玻璃精细颗粒层140(图1D)。这一淀积步骤的条件是氧气流量为6升/分，氢气流量为2升/分，氩气流量为2升/分。这些条件与第一个实施例的条件相同，但其他气体(四氯化硅、三氯氧磷、三氯化硼)的流量示于图7。进行淀积时不供给三氯氧磷气体，一段时间(约50秒)之后以5毫升/分的流量供入三氯氧磷气体，以淀积玻璃精细颗粒层140。这是这一实施例与第一实施例的主要区别。也就是说，一层不含磷的玻璃精细颗粒层和一层含磷玻璃精细颗粒层交替淀积。这样，根据第二个实施例制备方法制备出来的光学波导具有掺磷的下包层122和上包层，这两层均具有均匀的磷浓度，当最大的磷浓度由100表示时，最小的磷浓度为75。在本实施例中最小值大于95。
然后，用加热炉热处理淀积在衬底上的玻璃精细颗粒层140，将玻璃精细颗粒层140玻璃化并合成上包层142，从而制备出埋入型光学波导(图1E)。在这一热处理中，温度从室温(24℃)以1℃/分的速率升到1300℃以进行热处理，并在此热处理温度下维持6个小时，而后以1℃/分的降温速率降到室温。于是玻璃精细颗粒层140被玻璃，化形成包层142。按这些条件合成的玻璃膜(122，142)的厚度为25μm。
对这样制备的埋入型光学波导进行观察，芯体132a附近未产生外来杂物。图8示出了埋入型光学波导的横截面内五氧化二磷的浓度分布。C-C′为分析线。在芯体132a附近未发现磷浓度的偏离。该玻璃膜内磷的浓度约为0.72Wt%，基本是均匀的。
为了验证这种效应，做了在淀积玻璃精细颗粒层140时改变气体流量(如图9所示)而其他条件不变的控制试验。观察制备出来的埋入型光学波导，发现沿芯体132a边界面上有些外来物。测量了这一埋入型光学波导沿图10所示的B-B′分析线上的磷的分布。在芯体132a(图10)边界面附近检测到了高浓度的磷。在检测到高浓度磷的地方发现有许多外来物体。这些外来物体的产生被认为是反应室300的内壁上的杂物污染引起的。也就是说，在形成光学波导时需要很高的温度，使用火焰燃烧器12会引起反应室300内的气体对流从而使杂质混入芯体132a附近。
从这些结果可以明白，按照本发明制备光学波导的方法，在下包层122和芯体132a上面淀积玻璃精细颗粒层140时，在高出下包层122和芯体132a的界面处不掺磷地形成玻璃精细颗粒层140，而后再掺加磷，这样玻璃化后的光学波导膜(这种情况是上包层142和芯体132a)内所含的磷浓度能基本保持均匀，这样就能抑制由于高浓度引起的外来物体的产生。于是，这样制备出来的光学波导可具有较小的传输损耗。
在第一和第二实施例中，形成玻璃精细颗粒层120、130、140用的原料气体是三氯氧磷和三氯化硼，但也可以代之以三氯氧磷、四氯化磷、三溴化硼等供入火焰燃烧器12。在上述实施例中供入火焰燃烧器12的三氯氧磷的流量只改变一次，但是也可以将三氯氧磷的流量分几步改变或按工艺步骤的进程逐步地改变。
在图16A、16B、16C和16D中给出三氯氧磷气体瞬时改变的几个例子。在图16A、16B、16C和16D中，横轴代表时间，纵轴代表三氯氧磷的供应流量(任意单位)。图16A和16B所示的是三氯氧磷的供给流量在某于时刻阶梯函数式增加，图16C和16D所示的是三氯氧磷的供给流量在某一时间开始线性增到一个设定的供给流量。三氯氧磷流量的瞬间增加的形式可以是二元函数式、指数函数式或对数函数式的。
当供入三氯氧磷气体时，其他气体的流量设定不变。没有必要在整个上包层142和下包层122内使磷的浓度全部均匀。也就是说，只要包层一的一分部中磷的浓度均匀就足够了，即下包层靠近芯体132a和下层界面的那部分(界面的下5μm厚的那一部分)，上包层内正对靠近芯体132a和上包层界面上下延伸的那些部分(界面以下5μm厚度的那一部分)。当形成对应这些部分的玻璃精细颗粒层时就要增加向火焰燃烧器12的磷的供给量。
从均匀折射率的角度来考虑，当三氯氧磷的供给最大流量定为100时，最小流量较可取值为0-40。三氯氧磷的最小流量最好为0-10。此外，就均匀折射率而言，三氯氧磷最大流量与最小流量之比(最大/最小)低于2.5较好，低于10更好。
如上所述，按照本发明的制造光学波导方法，在淀积用作包层122、142的玻璃精细颗粒层时，瞬时增加供给火焰燃烧器12的磷的供给量和适当的调节供给火焰燃烧器12的磷的增加条件，因而玻璃化后的光学波导膜内所含的磷浓度能够是基本均匀的。因此，包层的折射率能够基本均匀，制得的光学波导能够具有小的传输损耗。
先不向火焰燃烧器12供磷而淀积玻璃精细颗粒层，再供入磷淀积玻璃精细颗粒，这样就能抑制包层与芯体界面处外来物体的产生。
在本发明中，特别在用含磷火焰淀积玻璃的步骤的开始阶段瞬时增加磷的供给量，所形成的玻璃膜内磷浓度均匀的第二种方法包括多次重复火焰淀积步骤和玻璃化步骤，这一方法将用本发明的第三实施例和第四实施例来说明。
第三个实施例将参照图来说明。用与第一实施例相同的方法淀积玻璃精细颗粒。即，在图17的装置中。如此淀积玻璃精细颗粒14先将硅衬底110固定在置于反应室300内、带有内嵌式加热器的转盘16上，转动转盘16，同时把硅片表面温度保持在600℃左右，让火焰燃烧器12在转动方向上沿直径来回摆动。这是已知的技术。这样从火焰燃烧器12出来的玻璃细颗粒14被均匀地淀积在每一个硅衬底110上。
在硅片衬底110上淀积用作SiO2-P2O5-B2O3包层用的玻璃精细颗粒层120a(图11A)。在淀积这一玻璃精细颗粒层时，供入火焰燃烧器12的氢气和氧气流量分别为2升/分和6升/分，原料气体各组份的流量在表1中给出，淀积时间为15分钟。
表1原料气体流量(毫升/分)四氯化硅100三氯化硼30三氯氧磷7.3淀积在硅衬底110上的玻璃精细颗粒层120a用加热炉(未示出)进行热处理，就制得了透明的玻璃膜122a(图11B)。在这一热处理中，使温度从室温以1℃/分的升温速率升到1380℃的热处理温度，并在该热处理温度维持6小时，然后以10℃/分的降温速率降到室温。
在相同的条件下，淀积玻璃精细颗粒层120b(图11C)并且玻璃化以形成玻璃膜122b(图11D)。然后用相同的方法，淀积玻璃精细颗粒层并且玻璃化以形成玻璃膜122C(图12A)。玻璃精细颗粒层的淀积和玻璃化这样重复三次，就形成了由三层玻璃构成的下包层122。这个下包层122的厚度为30μm。每一层玻璃膜122a、122b、122c的厚度为10μm。
图13示出了在衬底110上的下包层122(图12A)厚度方向上五氧化二磷的浓度(Wt%)分布。如所示，下包层122内五氧化二磷的浓度基本上是0.5Wt%，其变化范围为±0.13。折射率差△n的变化约为±0.002%。由此可以看出五氧化二磷是均匀分布的，能够得到均匀的玻璃膜。这一测量是用同一个EPMA装置上进行的，用的测量方法与上述几个实施例中用的方法相同。
然后，淀积用作SiO2-GeO2-P2O5-B2O3芯体层的玻璃精细颗粒层。淀积这一层的条件与上述的条件相同，但原料气体中增加了四氯化锗。对这一玻璃精细颗粒层进行热处理，就制出了用作芯体的透明玻璃膜132。用光刻工艺和反应离子腐蚀技术将这一玻璃膜腐蚀出一组图形，构成芯体132a(图12C)。和制备下包层142的情况一样重复制备玻璃膜，以形成上包层142。淀积玻璃精细颗粒层时原料气体中加入三氯化硼，然后在较低的温度下进行热处理以形成玻璃膜。
如所示，下包层制备在硅片110上，随后在其上形成线状脊形芯体132a。再制备上包层以复盖芯体132a，便完成了一个光学波导(图12D)。在这些包层内五氧化二磷的浓度基本上是均匀的，玻璃膜也具有基本均匀的折射率。
在第三个实施例中，火焰水解步骤和玻璃化步骤重复了三次，从而能够形成磷浓度基本为设定值的玻璃膜。发明者认为为了要降低待制备的光学波导的传输损耗，较可取的是要形成磷浓度均匀的包层。所以，进一步增加火焰水解步骤和玻璃化步骤的次数，以提高磷浓度的均匀性。后面将要说明的第四个实施例是六次重复这些步骤制备光学波导的方法。
首先，在每一个硅衬底110上淀积用作下包层的玻璃精细颗粒层120(图11A)。淀积条件除了示于表2的之外均与第一实施例相同，其中原料气体的供给量中三氯氧磷的供给量增加了，淀积时间为7.5分钟。对玻璃精细颗粒层120a进行热处理，制出了透明玻璃膜122a(图11B)。
表2原料气体流量(毫升/分)四氯化硅100三氯化硼30三氯氧磷14.5淀积和玻璃化玻璃精细颗粒膜的步骤重复六次，形成含六层而每层为5μm厚(共30μm厚)的下包层。
图14示出了这样制备出来的下包层122内五氧化二磷浓度的分析结果。如图14所示，在下包层122内，五氧化二磷的浓度基本上为0.5Wt%，折射率的变化△n为±0.0015%。在这一情况下，还发现五氧化二磷是均匀分布的，能制备出均匀的玻璃膜。
然后，用与第一实施例相同的方法形成作芯体用的透明玻璃膜132(图12B)。接着，用腐蚀方法形成芯体132a后用与形成下包层相同的制备步骤来形成上包层142(图12D)。该包层内的五氧化二磷浓度的分布基本上是均匀的，这样制备出的光学波导的玻璃膜具有基本均匀的折射率。
图15示出了为验证第三和第四实施例的效果而控制这些包层时，层内五氧化二磷浓度分布的分析结果。(实线代表控制1，点划线代表控制2)。
在这些控制中，为了形成具有与上述几个实施例特性相同的包层(膜厚30μm，磷浓度0.5Wt%)，形成玻璃精细颗粒层时使用了表3给出的原料气体组份(其他条件与上述几个实施例相同)。在控制1中，玻璃精细颗粒层的淀积时间设定为22.5分钟，在相同的条件下使玻璃精细颗粒层玻璃化，以形成玻璃膜。
将这一玻璃形成步骤重复两次，形成有两层这种玻璃膜的厚度为30μm的下包层。在控制2中，玻璃精细颗粒层的淀积时间设定为45分钟，然后用与上述几个实施例相同的条件对这一玻璃精细颗粒层进行玻璃化，以形成玻璃膜(下包层)。也就是说，与通常所做的那样一次形成30μm的下包层122。
表3
原料气体控制1的流量(毫升/分)控制2的流量(毫升/分)四氯化硅100100三氯化硼3030三氯氧磷4.92.4表4比较下包层122和淀积得到的的玻璃膜内的五氧化二磷浓度的变化。
表4浓度变化淀积的层数一层玻璃膜的厚度实施例1±0.04310实施例2±0.0465控制1±0.14215控制2±0.27130从图13、14和15给出的包层中磷分布看出，磷浓度的变化随玻璃膜中层数的减小而增加，且控制1的控制2中磷浓度的变化不在±0.13%的范围内。显然，在控制1和控制2中厚度方向上10μm以下的位置处磷浓度的变化较大。但是在第三实施例中并未发现这样的变化，该实施例中一个玻璃膜的厚度为10μm。我们发现，一次合成厚度小于10μm的玻璃膜内不存在磷的局部淀积偏差。据此，使该玻璃膜的每一层厚度设定在小于10μm，且将这样的玻璃膜设置入玻璃层(例如包层)内，那么就可以形成具有基本均匀磷组份的玻璃层(包层122、142)，并能抑制折射率的变化。
按照本发明制备光学波导的方法能形成具有基本均匀磷组份的折射率的包层122、144。结果，包层和芯体能具备基本均匀的折射率，制备出的光学波导能具备低的传输损耗。
在第三和第四实施例中，形成玻璃层122、132和142用的原料气体是三氯氧磷和三氯化硼。代替这些原料气体，也可以用三氯氧磷、四氯化磷和三溴化硼等供入火焰燃烧器12。在上述各实施例中，由于芯体132a不象包层122、142那样厚，所以芯体132a是一次形成的，但可以像制备包层那样由多层玻璃膜形成。气体可以与第一实施例的相同。像图16A、16B、16C和16D所示的那些方式供入火焰燃烧器12。
在第三和第四实施例中，将火焰水解步骤和玻璃化步骤重复数次以形成下包层122。但不用说，这一过程也可以用于形成上包层142。因此按照第三和第四实施例的制备光学波导的方法制备出的光学波导具有厚度方向上磷浓度均匀的掺磷下包层122或上包层142，若设层内的最大磷浓度为100，则层内的最小磷浓度至少大于75。
如上所述，按照本发明的方法，形成的玻璃膜的厚度不到10μm，从而能形成具有所需厚度的芯体和包层。其结果是能制备出无磷淀积局部偏离的光学波导。
权利要求
1.一种制备光学波导的方法，该光学波导包括；制备在一个衬底上的以石英为主要成份的下包层，制备在下包层上的以石英为主要成份的芯体，制备在下包层上并把芯体埋住的上包层，形成下包层的工艺过程为火焰水解步骤，在该步骤中向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒以将它淀积在衬底上、形成下部玻璃精细颗粒层。该火焰水解步骤包括下列步骤在一定的时间间隔内，相对于含硅气体的流量增加含磷气体的流量，和对下部玻璃精细颗粒层进行加热和玻璃化。
2.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，形成下包层的火焰水解淀积步骤中的含硅气体是四氯化硅。
3.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，形成下包层的火焰水解淀积步骤中的含磷气体是三氯氧磷。
4.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中形成下包层的火焰水解淀积步骤中含磷气体的流量以阶梯函数的形式瞬态增加。
5.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，形成下包层的火焰水解淀积步骤中含磷气体的流量是线性地瞬态增加的。
6.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，含磷气体流量的最小值为。
7.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，形成芯体的工艺过程包括下列步骤火焰水解步骤，在该步骤中向燃烧器供给含磷气体和含硅气体，从燃烧器向下包层吹出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒，并形成芯体玻璃精细颗粒层;玻璃化步骤，在该步骤中，加热芯体玻璃精细颗粒并使其玻璃化，以形成芯体层;以及用光刻腐蚀技术腐蚀芯体层以露出下包层的光刻腐蚀步骤。
8.根据权利要求7的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的工艺过程由以下几个步骤构成火焰水解步骤，在该步骤中向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器把以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒吹到芯体上，并将其淀积在芯体上，以形成上部玻璃精细颗粒层;加热上部玻璃精细颗粒层并使之玻璃化的玻璃化步骤。
9.根据权利要求8的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤是这样一个步骤在一个时间间隔内相对于含硅气体流量瞬态增加含磷气体的流量。
10.根据权利要求9的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中的含硅气体是四氯化硅。
11.根据权利要求9的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中的含磷气体是三氯氧磷。
12.根据权利要求1的制备光学波导的方法，其中，形成下包层和芯体的工艺过程由以下几个步骤构成在形成下部玻璃精细颗粒层的火焰水解步骤之后的火焰水解步骤，在该步骤中，向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒以将其淀积在下部玻璃精细颗粒层上;将下部玻璃精细颗粒层和芯体玻璃精细颗粒层加热和玻璃化出形成芯体的玻璃化步骤;以及用光刻腐蚀工艺腐蚀芯体以露出下包层的光刻腐蚀步骤。
13.根据权利要求12的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的工艺过程由以下几个步骤构成火焰水解步骤，在该步骤中，向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出的含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒，以将其淀积在芯体上，并形成上部玻璃精细颗粒层;以及将上部玻璃精细颗粒层加热和玻璃化的玻璃化步骤。
14.根据权利要求13的制备光学波导的方法，其中，形成包层的火焰水解步骤包括在一个时间间隔内相对于含硅气体的流量瞬态增加含磷气体的流量。
15.根据权利要求14的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中的含硅气体是四氯化硅。
16.根据权利要求14的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中的含磷气体是三氯氧磷。
17.一种制备光学波导的方法，该光学波导包括以石英为主要成份形成在一个衬底上的下包层，以石英为主要成份形成在下包层上的芯体，以及以石英为主要成份形成在下包层上并把芯体埋入的上包层，该下包层通过重复数次下列步骤而形成向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒以形成玻璃精细颗粒层;以及加热玻璃精细颗粒层并使之玻璃化。
18.根据权利要求17的制备光学波导的方法，其中，在每一次玻璃化步骤中玻璃化了的包层的厚度小于10μm。
19.根据权利要求18的制备光学波导的方法，其中，这些步骤的重复次数为3-6中的一个。
20.根据权利要求17的制备光学波导的方法，其中，形成下包层的火焰水解步骤中的含硅气体是四氯化硅。
21.根据权利要求17制备光学波导的方法，其中，形成下包层的火焰水解步骤中的含磷气体为三氯氧磷。
22.根据权利要求17的制备光学波导的方法，其中，上包层通过重复几次下列步骤而形成向燃烧器供入含磷气体和含硅气体，从燃烧器吹喷出以含磷石英为主要成份的玻璃精细颗粒以形成玻璃精细颗粒层;以及对玻璃精细颗粒层进行加热和玻璃化。
23.根据权利要求22的制备光学波导的方法，其中，每一个玻璃化步骤中玻璃化了的包层的厚度大于0μm，且不大于10μm。
24.根据权利要求22的制备光学波导的方法，其中，各步骤的重复次数是3-6中的一个。
25.根据权利要求22的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中使用的含硅气体是四氯化硅。
26.根据权利要求22的制备光学波导的方法，其中，形成上包层的火焰水解步骤中使用的含磷气体是三氯氧磷。
27.一个光学波导，包括一个以石英为主要成份的下包层;一个形成在下包层上面的以石英为主要成份的芯体;以及一个形成在下包层上面并把芯体埋入的、以石英为主要成份的上包层;下包层和上包层中至少有一个掺杂有磷，而且掺磷层中厚度方向上的磷浓度是均匀的，即厚度方向上磷浓度的最大值用100来表示时，其最小值大于75。
28.根据权利要求27的光学波导，其中的最小值大于95。
全文摘要
本发明公开了制备光学波导的方法。光学波导包括以下石英为主要成分的芯体和上、下包层。各层采用火焰水解法沉积玻璃精细颗粒并使其玻璃化来形成。该方法瞬态增加向火焰燃烧器的供磷量，以抑制芯体附近产生外来物。本方法的特征是在沉积玻璃精细颗粒层后进行玻璃化，并多次重复火焰水解工艺和玻璃化步骤，多层玻璃膜的厚度均小于10μm。本发明能抑制不均匀的玻璃化膜，并能使包层中的磷浓度均匀，从而减小传输损耗。
文档编号C03C13/04GK1092178SQ9410062
公开日1994年9月14日 申请日期1994年1月13日 优先权日1993年1月14日
发明者广濑智财, 金森弘雄, 浦野章, 石川真二, 相川晴彦, 斋藤真秀, 向后隆司 申请人:住友电气工业株式会社