一種平面光波導(dǎo)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種平面光波導(dǎo)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，單一形式的各類光學(xué)元件目前走向集成光學(xué)之路，將光學(xué)模塊 整合在晶圓（wafer)上，形成集成光路的基礎(chǔ)性部件，有助于光通信組件集成化、縮小體 積、減少封裝次數(shù)，具有大規(guī)?；a(chǎn)，而且低成本、高性能、高密度器件整合等優(yōu)勢(shì)，是光 纖通信系統(tǒng)的必要組成部分。
[0003] 所謂平面光波導(dǎo)（Planar Lightwave Circuit，簡(jiǎn)稱PLC)，是指光波導(dǎo)位于一個(gè) 平面內(nèi)。如同IC芯片的概念，平面光波導(dǎo)是采用半導(dǎo)體工藝將光學(xué)元件集成到一塊芯片 上，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)復(fù)雜控制處理功能的光器件技術(shù)，已經(jīng)大量應(yīng)用的PLC器件有光分路器 (Splitter)、陣列波導(dǎo)光柵（AWG)、光開關(guān)（Switch)、可調(diào)光衰減器（VOA)、光波導(dǎo)模式光譜 (OWLS)傳感器等。目前，無源器件與有源、MEMS融合是PLC技術(shù)的重要發(fā)展方向，可開發(fā)出 新型的多功能集成器件，如VMUX(V0A+AWG)、WSS(Switch+AWG)、加速度計(jì)、壓力傳感器、微型 麥克風(fēng)（智能手機(jī)）等。PLC不但能實(shí)現(xiàn)光電器件集成化、規(guī)?；?、小型化，而且具有性能穩(wěn) 定、適于規(guī)?；a(chǎn)、成本低等優(yōu)勢(shì)。
[0004] 可制作PLC的材料有二氧化硅（SiO2)、鈮酸鋰（LiNbO3)、III-V族半導(dǎo)體化合物 (如InP，GaAs)、絕緣體上娃（Silicon-〇n_Insulator，SOI)、氮氧化娃（SiON)、玻璃和聚合 物（Polymer)等。光波導(dǎo)芯層材料傳輸光信號(hào)，要求傳輸損耗低、膜層厚度和折射率均勻一 致、雙折射小，且與包層的界面光滑平整。PLC要求包層足夠厚，如0. 34-0. 75 Δ %光波導(dǎo)需 要上下包層厚度達(dá)到12-20 μ m，以保證傳輸?shù)墓獠ú粫?huì)被泄漏；其次包層材料的溫度特性 與芯層差異要小，以減小波導(dǎo)中產(chǎn)生應(yīng)力雙折射而影響性能，如AWG偏振相關(guān)性和中心波 長(zhǎng)溫度敏感性；此上包層材料應(yīng)具有良好的流動(dòng)性，因?yàn)楣獠▽?dǎo)芯層已被刻蝕出臺(tái)階和溝 槽狀，這樣容易完全填充芯層與包層的空隙達(dá)到緊密的包裹效果。通常在SiO 2材料中需摻 入一定的B203、P2O 5和GeO 2等，調(diào)節(jié)SiO 2的折射率、熱膨脹系數(shù)和軟化溫度。
[0005] PLC集成度增高要求光波導(dǎo)的尺寸更小，其彎曲半徑更小。表1是光波導(dǎo)設(shè)計(jì) Δ %、厚度、寬度與性能的對(duì)照表，芯層Δ增加對(duì)于大通道AWG，VMUX和環(huán)形振蕩濾波器等， 具有十分關(guān)鍵的意義。但是隨著芯層△增加，損耗也增加。
[0006] 表1.光波導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)：△ %、厚度、寬度與性能
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種平面光波導(dǎo)，其特征在于，包括：下包層、波導(dǎo)芯層、隔離層和上包層，所述上包 層和所述下包層的折射率相等且高于所述隔離層的折射率，所述隔離層形成在所述下包層 上，所述波導(dǎo)芯層被完全包覆在所述隔離層中，所述上包層形成在所述隔離層上。
2. 如權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)，其特征在于：所述隔離層的厚度為1-10 y m。
3. 如權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)，其特征在于：所述隔離層的材料為摻雜有氟和鍺 的二氧化硅，其中所述氟的摻雜質(zhì)量為所述二氧化硅質(zhì)量的1-2%，所述鍺的摻雜質(zhì)量為所 述二氧化硅質(zhì)量的3-6%，且所述氟和鍺的摻雜質(zhì)量比大于1: 3。
4. 如權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)，其特征在于：所述上包層的材料為摻雜有氟和鍺 的二氧化硅，其中所述氟的摻雜質(zhì)量為所述二氧化硅質(zhì)量的1-3%，所述鍺的摻雜質(zhì)量為所 述二氧化硅質(zhì)量的3-6%，且所述氟和鍺的摻雜質(zhì)量比為1:3。
5. 如權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)，其特征在于：所述波導(dǎo)芯層的材料為摻雜鍺的二 氧化硅；所述下包層的材料為二氧化硅；所述隔離層與所述上包層或所述下包層的相對(duì)折 射率差Δ為0. 1% -0. 3%。
6. 如權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)，其特征在于：所述下包層還作為襯底；或者所述平 面光波導(dǎo)還包括襯底，所述襯底的材料為硅或者二氧化硅。
7. -種權(quán)利要求1-6任一所述的平面光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在所述下包層上形成隔離層的第一部分； (2) 在所述隔離層的第一部分上形成芯層； (3) 刻蝕所述芯層，形成具有預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)的所述波導(dǎo)芯層； (4) 在所述波導(dǎo)芯層和所述隔離層的第一部分上形成隔離層的第二部分，所述隔離層 的第二部分完全填充所述預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)的間隙，所述隔離層的第一部分和第二部分組成所述隔 離層，并將所述波導(dǎo)芯層完全包覆； (5) 在所述隔離層的第二部分上形成所述上包層。
8. 如權(quán)利要求7所述的平面光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于，所述步驟（3)包括如下步 驟： (3. 1)在所述芯層上涂覆一層光刻膠，并通過光刻工藝形成具有預(yù)設(shè)圖案的光掩膜； (3. 2)刻蝕所述芯層，得到具有預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)的所述波導(dǎo)芯層； (3. 3)去除所述光掩膜。
9. 如權(quán)利要求7所述的平面光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于，所述步驟（1)中和 /或步驟（4)中采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，然后進(jìn)行高溫退火處理后形成；所 述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝為：在生長(zhǎng)溫度為250-360 °C，氣體流量比10-15% GeH4: C2F6: SiH4: N2O 為 15-22:9-13:15-20:1800-2400sccm，射頻輸入功率為 600-750W，沉積 腔壓強(qiáng)為350-400mT〇rr的條件下沉積10-15分鐘；所述高溫退火處理的工藝條件為：在氧 氣和惰性氣體的氣氛下，升溫50-150分鐘，在900-1000°C內(nèi)恒溫20-40分鐘，然后自然冷卻 至 20-30 °C。
10. 如權(quán)利要求7所述的平面光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于，所述步驟（5)包括如下 步驟： (5. 1)利用氫氧氣燃燒器，采用火焰水解法在所述隔離層的第二部分上形成疏 松的上包層，所述火焰水解法的工藝條件為：H2:3-6slm ;02:6-12slm ;Ar:3-6slm ; SiCl4:60-100sccm ；GeCl4:8-16sccm ；SiF45-10sccm ； (5.2)將所述疏松的上包層進(jìn)行高溫致密硬化處理，然后自然降溫至20-30°C，所 述高溫致密硬化處理的工藝條件為：在氧氣和惰性氣體的氣氛下，升溫30-120分鐘，在 900-1100 °C 內(nèi)恒溫 20-40 分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面光波導(dǎo)及其制備方法，所述平面光波導(dǎo)包括：下包層、波導(dǎo)芯層、隔離層和上包層，所述上包層和所述下包層的折射率相等且高于所述隔離層的折射率，所述隔離層形成在所述下包層上，所述波導(dǎo)芯層被完全包覆在所述隔離層中，所述上包層形成在所述隔離層上。本發(fā)明可以使得平面光波導(dǎo)的折射率分布更優(yōu)，降低器件損耗，可以更容易實(shí)現(xiàn)1250-1650全帶寬性能。
【IPC分類】G02B6-13, G02B6-122
【公開號(hào)】CN104635298
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510073921
【發(fā)明人】林升德, 吳金東, 胡海鑫
【申請(qǐng)人】深圳太辰光通信股份有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月11日