紫外写入制作列阵波导光栅的方法技术

本发明专利技术属一种列阵波导光栅（ＡＷＧ）的紫外写入的制作方法。以单晶硅为衬底（１），用火焰水解法顺次在衬底（１）上淀积ＳｉＯ↓［２］膜材料的下包层２、掺杂ＧｅＯ↓［２］的ＳｉＯ↓［２］膜材料的波导芯层（３）和ＳｉＯ↓［２］膜材料的上包层（４），在高温炉内经１２００～１４００℃致密化处理，再经注氢－掩膜－辐照的过程。在８０～１１０ａｔｍ氢气压下掺入Ｈ↓［２］；再用刻有列阵波导光栅图形的掩膜板（５）掩盖在上包层（４）上；使用准分子激光器的紫外光（６）照射约１０分钟，去掉掩膜板（５），得到ＡＷＧ器件。本发明专利技术的方法工艺简化，成品率高，不再使用昂贵的刻蚀设备，降低成本；易于调节中心波长。制作的ＡＷＧ器件波长响应平坦化；降低串扰。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属一种波分复用器件的制作方法，特别涉及列阵波导光栅的紫外写入的制作方法。
技术介绍
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，在波导芯层刻蚀有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器件的方法存在工艺复杂、刻蚀设备昂贵、中心波长容易偏离设计值等问题。工艺复杂是指三层SiO2膜需要多次高温致密化处理，中间要进行工艺难于控制的反应离子刻蚀法刻蚀AWG图形；中心波长容易偏离设计值是由于反应离子刻蚀法本身的缺陷造成的，这种刻蚀方法无法使波导芯层折射率发生改变。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就是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。本专利技术利用火焰水解法在单晶硅衬底上淀积三层SiO2膜，其中中间一层为掺杂GeO2的SiO2膜，然后用紫外写入法在SiO2膜上直接形成AWG图形。采用紫外写入法在SiO2膜上直接形成AWG图形，是利用了SiO2膜中Ge(锗)对紫外光的敏感性(GeO2在5.0eV或者说242nm附近存在一个很强的吸收带)，即利用了在紫外光的作用下，掺锗SiO2膜中的折射率会发生显著变化的这种现象。本专利技术的内容参见附图具体叙述为以单晶硅为衬底1，用火焰水解法顺次在衬底1上淀积SiO2膜材料的下包层2、掺杂GeO2的SiO2膜材料的波导芯层3和SiO2膜材料的上包层4，在高温炉内经1200～1400℃致密化处理，得到玻璃化SiO2膜。再采用紫外写入法直接形成列阵波导光栅图形，紫外写入法的过程包括注氢—掩膜—辐照，所说的注氢是在80～110atm下掺入H2；所说的掩膜是用刻有列阵波导光栅图形的薄金属材料的掩膜板5掩盖在上包层4上；所说的辐照是使用准分子激光器的紫外光6照射，紫外光6透过掩膜板5的透光区7照射在SiO2膜上；最后，除去紫外光6，去掉掩膜板5，得到列阵波导光栅。图1给出的是本专利技术的工艺流程。其中，11为火焰水解法在单晶硅衬底1上生长三层SiO2膜，包括下包层2、掺杂GeO2的波导芯层3、上包层4；12为高温致密化处理过程；13为高压注氢过程，n1、n2、n3表示下包层2、波导芯层3、上包层4的折射率，并且n2与n1、n3比较是有显著改变的；14为掩膜过程，掩膜板5刻有AWG图形，7是掩膜板5上的透光区；15为紫外光辐照过程，6表示紫外光；16为列阵波导光栅形成过程，即除去紫外光6，去掉掩膜板5，得到列阵波导光栅器件。高压注氢过程13可以是将高温致密化处理后的AWG器件放在高压罐内，向高压罐里注入氢气，直至高压罐内氢气压达到80～110atm关闭高压罐进气阀，之后在常温下静置5～15天。也可以使放有AWG器件的高压罐在70～95℃的条件下静置15～40小时。高压注氢的目的是增强波导芯层3对紫外光的敏感性。实验证明，对掺杂GeO2的SiO2膜与无掺杂的SiO2膜比较，引起的折射率变化(Δn)随GeO2掺杂量的增加而增大，但是，Δn的增大并不明显。高压注氢则是为引起折射率更大变化的有效措施。比如，掺入3.3mol％的氢，在248nm紫外光作用下，折射率的变化可提高将近二个数量级，可达到5.9×10-3，这对于制作AWG器件已经足够用了。为了调节AWG器件中心波长，可以改变光照的强度、光照的时间，并对制造中的AWG器件适时监测完成的。即，二次或多次进行紫外光照射，对折射率进行修整。在辐照过程中，紫外光照射时间可根据光强大小适当控制，通过适时监测使AWG器件的分辨率、串音隔离度达到规格要求，制备出合格的AWG器件。本专利技术方法的突出优点是1、波长响应平坦化并降低对波长对准的要求。AWG理想的通道波长响应应该为矩形，以减小由于小的信号波长偏移而造成的损耗，同时也就降低了对波长对准的要求。
技术介绍
制作的AWG器件的波长响应为高斯分布，顶部是尖的，并不平坦。对于本专利技术紫外写入制作的AWG器件而言，可以不改变输入波导的矩形形状，而采用紫外光对波导折射率作抛物线型处理，这样会获得波长响应的平坦化。2、降低串扰。一般都是通过增加列阵波导数和缩减列阵波导的通道间隔来提高AWG的容量，而通道间隔的缩减往往是产生通道间串扰的主要原因。本专利技术方法的一个突出的潜在优势是可以把两个或多个相同的AWG并联起来，通过紫外光对折射率的修整作用，把相邻通道作在不同AWG上，从而达到提高容量和减少串扰的双重目的。比如，把两个完全相同的通道间隔Δλ＝0.8nm的32-channel AWG并联起来，通过紫外光对其中的一个AWG或者同时对两个AWG的波长进行微小的调节，使奇偶数通道分布在不同AWG上。这样，两个32-channel AWG就变成了一个64-channel AWG，而实际通道间隔仍然为0.8nm，比普通的64-channel AWG(通道间隔一般为0.4nm)提高了一倍！当然，通道间串扰也就小得多。3、易于调节中心波长。
技术介绍
使用反应离子刻蚀方法按版刻蚀，中心波长已经确定，不能进行微调。本专利技术在紫外光照射过程中能做到微调，即易于调节中心波长。4、工艺简化，成品率高，不再使用昂贵的刻蚀设备，降低成本。附图说明图1是本专利技术的工艺流程图。具体实施例方式实施例1、用火焰水解法在硅衬底1上生长下包层2、波导芯层3、上包层4并经1380～1400℃高温致密化处理，得到玻璃化SiO2膜，波导芯层3的厚度约为6～8μm，上包层4、下包层2的厚度约为20μm。然后于100atm下进行高压注氢8天。用刻有用刻有16×16 AWG图形的薄金属掩模板5掩盖在上包层4的SIO2膜上，然后用准分子激光器于248nm紫外光下进行辐照，大约10分钟。去掉掩模板5，得到AWG器件。实施例2、用火焰水解法在硅衬底1上生长下包层2、波导芯层3、上包层4并经1380～1400℃高温致密化处理，得到玻璃化SiO2膜，波导芯层3的厚度约为6～8μm，上包层4、下包层2的厚度约为20μm。然后于100atm下进行高压注氢，在85±5℃温度下注氢24小时。再经掩膜—辐照过程，制得AWG器件。实施例3、用火焰水解法在硅衬底1上生长下包层2、波导芯层3、上包层4并经1380～1400℃高温致密化处理，得到玻璃化SiO2膜。使用实施例1或2给出的方法注氢。掩膜后用准分子激光器于248nm紫外光下进行辐照，完成对折射率的修整并适时监测，达到调节中心波长的目的。权利要求1.一种，以单晶硅为衬底(1)，用火焰水解法顺次在衬底(1)上淀积SiO2膜材料的下包层(2)、掺杂GeO2的SiO2膜材料的波导芯层(3)和SiO2膜材料的上包层(4)，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紫外写入制作列阵波导光栅的方法，以单晶硅为衬底（１），用火焰水解法顺次在衬底（１）上淀积ＳｉＯ↓［２］膜材料的下包层（２）、掺杂ＧｅＯ↓［２］的ＳｉＯ↓［２］膜材料的波导芯层（３）和ＳｉＯ↓［２］膜材料的上包层（４），在高温炉内经１２００～１５００℃致密化处理，得到玻璃化ＳｉＯ↓［２］膜，其特征是，采用紫外写入法直接形成列阵波导光栅图形，包括注氢－掩膜－辐照的过程，所说的注氢是在８０～１１０ａｔｍ下掺入Ｈ↓［２］；所说的掩膜是用刻有列阵波导光栅图形的薄金属材料的掩膜板（５）掩盖在上包层（４）上；所说的辐照是使用准分子激光器的紫外光（６）照射，紫外光（６）透过掩膜板（５）的透光区（７）照射在ＳｉＯ↓［２］膜上；最后，除去紫外光（６），去掉掩膜板（５），得到列阵波导光栅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉书，吴远大，邢华，张乐天，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]