一種梯度折射率波導(dǎo)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種梯度折射率波導(dǎo)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]漸變折射率波導(dǎo)(也稱作GRIN波導(dǎo)或GRIN透鏡)具有在一個(gè)或多個(gè)維度聚焦光的能力。GRIN透鏡這種透鏡屬性可以用來耦合兩個(gè)模斑尺寸相差較大的波導(dǎo)。例如，如圖la、圖2a、圖3a、圖4a、圖5所示，可以用于光纖I和更小尺寸波導(dǎo)之間的耦合。GRIN透鏡也可以用于大發(fā)散角光源(比如圖5所示的半導(dǎo)體激光器4發(fā)射的光)的準(zhǔn)直和再聚焦。在這種應(yīng)用中GRIN透鏡的功能類似一個(gè)成像光學(xué)元件。
[0003]圖3是利用單片集成GRIN透鏡進(jìn)行光纖到PLC光波導(dǎo)耦合的示意圖。這里假設(shè)光波導(dǎo)與光纖在尺寸上有非常大的差別，這種情況下如果光纖直接和PLC光波導(dǎo)耦合，將會有比較高的光能損失。如圖3a是耦合的縱向截面圖，GRIN的折射率在垂直方向變化(按照圖中的坐標(biāo)定義是y方向)。右邊的圖3b是垂直方向上(圖中坐標(biāo)軸定義的Y方向)GRIN透鏡的折射率分布。折射率分布呈拋物線型，折射率最高的部分在GRIN的中心，遠(yuǎn)離中心折射率逐漸降低。折射率絕對值和折射率的變化量取決于輸出光斑的尺寸、GRIN的長度、光纖所需的光斑的大小。GRIN和波導(dǎo)都被包圍在包層材料中，通常包層材料的折射率比GRIN和波導(dǎo)的折射率都要小，其折射率是固定的。光束通過光纖的輸出端進(jìn)入GRIN透鏡的輸入端，光束在GRIN透鏡內(nèi)匯聚，GRIN透鏡輸出的光束尺寸滿足光波導(dǎo)所需的光斑尺寸。在這個(gè)例子中通過選擇合適的GRIN長度尺寸和折射率分布可以實(shí)現(xiàn)最佳的耦合效率。
[0004]圖4a是GRIN透鏡的俯視圖。GRIN的折射率在橫向(圖中定義的x軸方向)上并不改變。也就是說，在任意的y位置，GRIN內(nèi)的折射率是沿X方向均勻(參見圖4b)。GRIN透鏡的寬度選取到與光纖模斑最佳匹配。一旦光在垂直方向會聚到GRIN透鏡末端的波導(dǎo)中，可以進(jìn)一步將波導(dǎo)的寬度漸變到任意需要的寬度。
[0005]圖3至4中梯度GRIN透鏡被用作聚焦透鏡。GRIN透鏡把從光纖輸出的光會聚成較小尺寸的光斑與光波導(dǎo)匹配。同一個(gè)GRIN透鏡折射率分布也可以用作成像元件。
[0006]圖5是GRIN透鏡將激光出射的發(fā)散光束耦合到波導(dǎo)的示意圖。在這種情況下，從激光器發(fā)出的光為高度發(fā)散。GRIN在這里的作用是捕獲這個(gè)發(fā)散光束并重新調(diào)整光束尺寸到能和PLC波導(dǎo)高效耦合。這里提到的成像GRIN透鏡與前面的聚焦GRIN透鏡具有相同的折射率分布，唯一的差別是長度。
[0007]傳統(tǒng)商用的GRIN透鏡采用體材料和離子交換技術(shù)，這類體材料制作的GRIN透鏡是分立的光學(xué)元件，因此當(dāng)這類GRIN透鏡與其他分立光學(xué)元件同時(shí)使用時(shí)需要額外的封裝，操作以及成本。例如使用分立GRIN透鏡進(jìn)行平面光波導(dǎo)(PLC)和光纖的耦合時(shí)，GRIN透鏡必須同時(shí)與PLC和光纖達(dá)到微米量級的精確光學(xué)對準(zhǔn)，并且元件間的連接材料必須可靠，穩(wěn)定、透明，至少十年不能失效。
[0008]圖1a和圖1b中所示的是現(xiàn)有技術(shù)。現(xiàn)有技術(shù)所公開的制作方法中，波導(dǎo)層僅限定于整個(gè)結(jié)構(gòu)的最底層。這是一個(gè)次優(yōu)的結(jié)構(gòu)，僅僅能作為一個(gè)準(zhǔn)直透鏡使用。它不能作為成像透鏡對激光器波導(dǎo)進(jìn)行耦合。為了使GRIN結(jié)構(gòu)處于最優(yōu)狀態(tài)，波導(dǎo)層應(yīng)該放在整個(gè)層狀結(jié)構(gòu)的最中間。圖2a和圖2b中所示的是傳統(tǒng)GRIN，這類GRIN是一個(gè)分立元件不能集成到芯片上，被稱為傳統(tǒng)的塊狀GRIN。這種GRIN的制作方法與本實(shí)用新型不同，一般使用尚子交換等技術(shù)。
[0009]如圖1b中所示的為現(xiàn)有技術(shù)的GRIN透鏡。該GRIN透鏡生長為一個(gè)較厚的層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)的生長過程中材料的組分隨厚度不同而不同。一旦整個(gè)層狀結(jié)構(gòu)生長(或沉積)完成，對整個(gè)層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻和刻蝕。
[0010]同樣光刻和刻蝕較厚的層狀結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)?？涛g較厚的層狀結(jié)構(gòu)會使工藝的保真度下降，波導(dǎo)的輪廓變差，精度降低，邊緣的粗糙度加大；并且這種工藝制作過程中需要對材料參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(比如監(jiān)控折射率相對位置的關(guān)系)，如果參數(shù)精度不夠，就不能達(dá)到最佳的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的波導(dǎo)裝置中的GRIN透鏡無法進(jìn)行逐層光刻和刻蝕導(dǎo)致保真度下降，波導(dǎo)的輪廓變差，精度降低的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種梯度折射率波導(dǎo)裝置及其制備方法。
[0012]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案:
[0013]一種梯度折射率波導(dǎo)裝置，包括GRIN透鏡以及包層，其特殊之處在于:所述GRIN透鏡包括襯底、波導(dǎo)層和至少兩個(gè)GRIN層，最底層的GRIN層沉積在襯底上，所述波導(dǎo)層位于任意相鄰的兩個(gè)GRIN層之間，所述包層包裹在GRIN透鏡外側(cè)，由最頂層的GRIN層或最底層的GRIN層向波導(dǎo)層的折射率逐漸變大。
[0014]上述GRIN透鏡包括襯底、波導(dǎo)層和GRIN層，所述GRIN層沉積在襯底上，所述波導(dǎo)層沉積在GRIN層上，所述包層包裹在GRIN透鏡外側(cè)，所述波導(dǎo)層的折射率大于GRIN層的折射率。
[0015]每個(gè)GRIN層包括至少兩個(gè)GRIN子層，所述波導(dǎo)層包括至少兩個(gè)波導(dǎo)子層。
[0016]每個(gè)GRIN層中的每個(gè)GRIN子層的折射率相同或不相同，波導(dǎo)層中的每個(gè)波導(dǎo)子層的折射率相同或不相同。
[0017]每個(gè)GRIN層中的每個(gè)GRIN子層的折射率隨著與波導(dǎo)層之間距離的縮短而逐漸變大。
[0018]上述GRIN層的長度或?qū)挾入S著與波導(dǎo)層之間距離的增長而逐漸變短。
[0019]上述的波導(dǎo)層和GRIN層的材料為氮氧化娃Silicon Oxynitride、碳氧化娃Silicon Oxycarbide、聚合物Polymers、摻雜的二氧化娃D(zhuǎn)oped glasses、旋涂的二氧化娃Spin on Glasses和銦嫁砷磷合金 Indium Gallium Arsenide Phosphide alloys 中一種或多種的組合。
[0020]一種梯度折射率波導(dǎo)元件的制備方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0021]I】確定波導(dǎo)層的位置，并準(zhǔn)備襯底；最底層的GRIN層定義為第一 GRIN層，依次定義，最頂層的GRIN層為第N GRIN層，其中最底層的GRIN層距離襯底最近；
[0022]2】按照波導(dǎo)層的位置確定各個(gè)GRIN層的折射率；
[0023]波導(dǎo)層的折射率最高，由最頂層的GRIN層或最底層的GRIN層向波導(dǎo)層的折射率逐層逐漸變大；
[0024]3】根據(jù)確定的折射率，制備GRIN透鏡的第一 GRIN層:
[0025]3.1】制備:在襯底上進(jìn)行至少一次半導(dǎo)體材料沉積，形成第一 GRIN層；
[0026]3.2】對GRIN透鏡的第一 GRIN層進(jìn)行光刻和刻蝕，后去膠；
[0027]3.3】對GRIN透鏡的第一 GRIN層進(jìn)行包層沉積；包層材料的折射率小于或等于所有GRIN層中的最小折射率；
[0028]3.4】將包層磨平至第一 GRIN層的上表面；
[0029]4】根據(jù)確定的折射率，制備GRIN透鏡的第二 GRIN層:
[0030]4.1】在第一 GRIN層的頂部，進(jìn)行至少一次半導(dǎo)體材料沉積；
[0031]4.2】對GRIN透鏡的第二 GRIN層進(jìn)行光刻和刻蝕，后去膠；
[0032]4.3】對GRIN透鏡的第二 GRIN層進(jìn)行包層沉積；包層材料的折射率小于或等于小于或等于所有GRIN層中的最小折射率；
[0033]4.4】將包層磨平至第二 GRIN層的上表面；
[0034]4】根據(jù)確定的折射率，制備GRIN透鏡的第三GRIN層；
[0035]依次類推，直至制備到GRIN透鏡的最頂層的GRIN層。
[0036]其中折射率最大的GRIN層為波導(dǎo)層。
[0037]上述襯底由硅片和熱氧化二氧化硅層或氣相沉積的二氧化硅層構(gòu)成。
[0038]還包括折射率測量步驟:在每個(gè)GRIN層制作完成后還要對該GRIN層的折射率進(jìn)行測量。
[0039]每個(gè)GRIN層的材料為氮氧化娃Silicon Oxynitride、碳氧化娃SiliconOxycarbide、聚合物Polymers、摻雜的二氧化娃D(zhuǎn)oped glasses、旋涂的二氧化娃Spin onGlasses和銦嫁砷磷合金 Indium Gallium Arsenide Phosphide alloys 中一種或多種的組合；
[0040]制備每層GRIN層的沉積方式和包層的沉積方式:包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PEVCD)、高密度等離子體化學(xué)氣相淀積法(HDPCVD)、低壓力化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、濺射沉積法或旋涂法。
[0041]上述光刻通過步進(jìn)式光刻機(jī)、接觸式光刻機(jī)或、電子束直寫來完成；所述刻蝕通過反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體。
[0042]上述磨平通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或腐蝕來實(shí)現(xiàn)。
[0043]本實(shí)用新型所具有的優(yōu)點(diǎn):
[0044]1、本實(shí)用新型GRIN透鏡是由PLC技術(shù)制作的，PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以將GRIN透鏡中GRIN層和波導(dǎo)層集成在同一個(gè)芯片上。與傳統(tǒng)分立的GRIN透鏡需要分別封裝相比，采用PLC技術(shù)的GRIN透鏡具有單片集成，成本低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。GRIN透鏡必需能與PLC的其余部分的波導(dǎo)的平臺和結(jié)構(gòu)相容，PLC其余部分的光波導(dǎo)的厚度和折射率是穩(wěn)定的。而GRIN透鏡及其制備工藝必須與PLC的光波導(dǎo)其它部分兼容。
[0045]2、本實(shí)用新型采取氮氧化硅(S1N)材料，同時(shí)適用于GRIN層及PLC波導(dǎo)層的制備。S1N根據(jù)元素間組合的不同，折射率可以在1.45至2.0之間變化(在1500nm波段范圍)。S1N材料通常采用化學(xué)汽相沉積(CVD)法生長的。生長過程中，通過控制氣體的不同濃度來實(shí)現(xiàn)不同的折射率變化，也就是說，通過S1N元素間不同的組合實(shí)現(xiàn)折射率的不同變化。
[0046]3、本實(shí)用新型在每一層GRIN層制作完成后進(jìn)行折射率和厚度測量，如果某一步驟后折射率或厚度不符合設(shè)計(jì)要求，可在該步驟中進(jìn)行糾正或在隨后步驟中采取補(bǔ)償措施。每層GRIN層具有特定的折射率分布和厚度。折射率分布可以是恒定的、連續(xù)梯度變化或分布梯度變化。生長完成后，折射率和厚度可以通過各種方式(如橢圓光度法)精確測定。如折射率和厚度不符合設(shè)計(jì)要求，可以在這時(shí)廢棄晶片(避免進(jìn)一步的時(shí)間或材料浪費(fèi))或采取糾正措施(增加相應(yīng)的層或者修改后繼層的設(shè)計(jì)來彌補(bǔ))。