专利名称：溶胶凝胶光诱导制作列阵波导光栅的方法
技术领域：
本发明属一种波分复用器件的制作方法，特别涉及溶胶凝胶光诱导折射率变化法制作掺锡SiO2/Si基列阵波导光栅的方法。
背景技术：
列阵波导光栅(AWG)是密集波分复用/解复用(DWDM)系统中的关键器件，它传播损耗小，与光纤耦合效率高，被认为是最有发展前途的一种新型波分复用器件。AWG器件的结构包括，在单晶硅衬底上顺次生长有下包层、波导芯层、上包层，在波导芯层制作有AWG图形。
列阵波导光栅通常是采用火焰水解法加反应离子刻蚀法制作的。即，用火焰水解法在单晶硅衬底上淀积一层二氧化硅(SiO2)材料的厚膜作为下包层，经过高温致密化处理后再在上包层上淀积一层掺杂氧化锗(GeO2)的SiO2厚膜作为波导芯层；再次高温致密化处理后用带有AWG图形的掩膜板放在波导芯层上进行掩膜，运用反应离子刻蚀法在波导芯层上刻蚀出AWG图形；最后淀积一层SiO2厚膜作为上包层，第三次高温致密化处理制作出AWG器件。
这种制作AWG器件的方法由于采用反应离子刻蚀法刻蚀AWG图形，刻蚀中需要的反应气体和掩膜材料要精心考虑，存在工艺流程复杂、刻蚀设备昂贵、中心波长不可调及容易偏离设计值等问题；由于波导芯层掺Ge，折射率改变非常小，不利于AWG器件的优化设计，制作出的AWG器件往往不能满足应用上的要求；由于采用火焰水解法制作波导芯层，波导芯层的厚度及掺杂成分都不易控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服背景技术的不足，寻找一种经济快捷的工艺制造AWG器件，不再使用昂贵的刻蚀设备，并可以使中心波长得到调整；利于优化设计；易于控制波导芯层厚度和掺杂的工艺过程制作AWG器件。
本发明的溶胶凝胶光诱导制作列阵波导光栅的方法，以单晶硅为衬底，在衬底上顺次生长SiO2材料的下包层、波导芯层、SiO2材料的上包层，并进行致密化处理；在波导芯层制作列阵波导光栅图形。
跟背景技术不同的是波导芯层及制作列阵波导光栅图形是采用溶胶凝胶光诱导方法完成的，具体过程为调制溶胶—旋涂—烧结—掩膜—光诱导。
所说的调制溶胶是以正硅酸乙脂、乙醇为原料，以盐酸为催化剂，乙醇与盐酸的配比按体积比为1∶(1.3～0.8)，正硅酸乙脂与乙醇按体积比为1∶(1.2～0.8)，混合反应后用去离子水稀释制得胶体，再加入占胶体质量0.3～0.6％的含锡(Sn)的先驱体，经陈化、过滤生成含有Sn的SiO2溶胶。所说的旋涂是将能自由流动的溶胶涂覆在致密化处理过的下包层上，旋转衬底，使溶胶均匀涂在下包层上。所说的烧结是使溶胶中液体挥发并在350～450℃温度下处理，去除有机溶剂并得到致密化的含Sn的SiO2膜。经旋涂和烧结过程制作出波导芯层。所说的掩膜是将带有列阵波导光栅图形的掩膜板放置在含Sn的SiO2膜上。所说的光诱导是用准分子激光器发出的紫外光照射掩膜板，使掩膜板的透光部分的含Sn的SiO2膜的折射率发生变化形成波导，即波导芯层未被掩膜部分在准分子激光照射下折射率发生变化形成波导。
在硅衬底上生长下包层、上包层，并进行致密化处理，可以采用火焰水解法经高温致密化处理，也可以采用本发明的制作波导芯层的溶胶凝胶方法实现。
在调制溶胶中，配制好的胶体最好陈化20～40小时，最好用0.1微米及0.1微米以下的过滤器过滤。光诱导可以在可移动的平台上进行，将掩膜后的波导芯层置于平台上，该平台在步进电机带动下能按相互垂直的两个方向平移，使整个掩膜板都被紫外光照射。
波导芯层中掺杂Sn的多少可以通过溶胶配料时容易地得到控制；波导芯层的厚度可以通过实验找到甩胶速度、甩胶时间、溶胶浓度与波导芯层膜厚之间的关系，选取确定的方案进行制作，就可以制作出所需的膜厚。
AWG器件的中心波长如果与设计值有偏离，可以通过再次紫外光照射，以及控制激光器能量、辐射频率、照射时间得到纠正，制得符合优化设计要求的理想的AWG器件。
综上所述，本发明的方法由于采用溶胶凝胶方法制作波导芯层，容易控制波导芯层的掺杂量及厚度，可以提高成品率，进而降低成本；由于采用光诱导折射率变化方法刻蚀AWG图形，可省去昂贵的反应离子刻蚀设备，中心波长可调，可以容易地达到较高的精度，实现最优化设计，制作出适合应用的AWG器件；由于波导芯层是掺Sn的SiO2膜，光诱导折射率调整幅度大，不仅省去了增敏过程，还具有良好的可控性，亦可提高成品率。本发明的方法适合于大批量生产适于实际应用的AWG器件。
具体实施例方式
实施例1、溶胶的制备取正硅酸乙脂10毫升、工业用乙醇10毫升作原料，取浓度为0.1M的HCl溶液10毫升作催化剂，加适量去离子水稀释，混合搅拌。再加入0.5毫升Sn(OH)2胶体搅拌。在室温下静置陈化24小时后，用0.1微米的过滤器过滤，用去离子水调到能自由流动的浓度，备用。
实施例2、一种旋涂的方式将实施例1制备的溶胶涂覆在制作中的AWG器件的SiO2膜，即下包层上。以3000转/分钟的转速旋转AWG器件，每旋转40～50秒，再涂覆溶胶，经10次反复涂覆溶胶旋转。甩胶旋涂后挥发并经400℃烧结，制得的波导芯层厚度在6～8微米。
实施例3、一种光诱导的方式将实施例2制作出波导芯层的AWG器件放置在由步进电机带动的平台上，控制激光器能量在200毫焦左右，脉冲频率在10赫兹，启动步进电机，使紫外光照射AWG器件6～10分钟。通过适时监测制得合乎设计要求的列阵波导光栅。
权利要求
1.一种溶胶凝胶光诱导制备列阵波导光栅的方法，以单晶硅为衬底，在衬底上顺次生长SiO2材料的下包层、波导芯层、SiO2材料的上包层，并进行致密化处理；在波导芯层制作列阵波导光栅图形；其特征是，波导芯层及制作列阵波导光栅图形是采用溶胶凝胶光诱导方法完成的，具体过程为调制溶胶—旋涂—烧结—掩膜—光诱导，所说的调制溶胶是以正硅酸乙脂、乙醇为原料，以盐酸为催化剂，乙醇与盐酸的配比按体积比为1∶(1.3～0.8)，正硅酸乙脂与乙醇按体积比为1∶(1.2～0.8)，混合反应后用去离子水稀释制得胶体，再加入占胶体质量0.3～0.6％的含锡的先驱体，经陈化、过滤生成含锡的SiO2溶胶；所说的旋涂是将溶胶涂覆在致密化处理过的下包层上，旋转衬底，使溶胶均匀涂在下包层上；所说的烧结是使溶胶中液体挥发并在350～450℃温度下处理，去除有机溶剂并得到致密化的含Sn的SiO2膜；所说的掩膜是将带有列阵波导光栅图形的掩膜板放置在含Sn的SiO2膜上；所说的光诱导是用准分子激光器发出的紫外光照射掩膜板，使掩膜板的透光部分的含Sn的SiO2膜的折射率发生变化形成波导。
2.按照权利要求1所述的溶胶凝胶光诱导制备列阵波导光栅的方法，其特征是，所说的调制溶胶中，将胶体陈化20～40小时，用0.1微米及0.1微米以下的过滤器过滤；所说的光诱导是将掩膜后的波导芯层置于平台上，该平台在步进电极带动下能按相互垂直的两个方向平移，使整个掩膜板都被紫外光照射。
全文摘要
本发明属溶胶凝胶光诱导折射率变化法制作掺锡SiO
文档编号G02B6/124GK1372150SQ02109178
公开日2002年10月2日 申请日期2002年2月7日 优先权日2002年2月7日
发明者张玉书, 邢华, 吴远大, 李爱武 申请人:吉林大学