專利名稱：實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導一類的器件，用以實現(xiàn)該類波導的偏振不靈敏，特別涉及硅基二氧化硅陣列波導光柵(AWG)和馬赫—曾德干涉(MZI)型器件的偏振不靈敏。
背景技術(shù)：
硅基二氧化硅光波導是在硅襯底上沉積二氧化硅經(jīng)刻蝕后形成的光波導，由于二氧化硅與硅襯底的熱膨脹系數(shù)不一致，制備的波導存在應(yīng)力不對稱，該類光波導表現(xiàn)為較大的應(yīng)力雙折射，雙折射系數(shù)約10-4量級，而一般的器件都要求對偏振不靈敏，需將整個波導的雙折射系數(shù)降到10-5量級，因此實現(xiàn)硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏是該類型波導廣泛應(yīng)用的前提。
目前國際上對硅基二氧化硅偏振相關(guān)補償?shù)姆椒ㄓ谐练e非晶硅薄膜法、插入半波片法、應(yīng)力釋放槽法、上包層重摻雜B、P法、不同寬度的波導混合集成法等(見文獻[1]Hiroshi Takahashi，Yoshinori Hibino，YasujiOhmori，Masao Kawachi.Polarisation-Insensitive Arrayed-WaveguideWavelength Multiplexer with Birefringence Compensation Film.IEEEPhotonics Technology Letters，1993，5(6)707-709.[2]Yasuyuki Inoue，Hiroshi Takahashi，Shinji Ando，et al.Elimination of polarization sensitivity insilica-based wavelength division multiplexer using a polyimide half waveplate，IEEE J.of Lightwave Technology.1997，15(10)1974-1957.[3]S.Suzuki，S.Sumida，Y.Inoue，et al.Polarisation insensitive arrayed-waveguide gratingsusing dopant rich silica-based glass with ghermal expansion adjusted to Sisubstrate.Electronics Letters.1997，33(13)1173-1174.[4]E.Wildermuth，Ch.Nadler，M.Lanker，et al.Penalty-free polarisation compensation of SiO2/Siarrayed waveguide grating wavelength multiplexers using stress releasegrooves.Electronics letters，1998，34(20)16611662.[5]Y.Inoue，M.Itoh，Y.Hibino，et al.Novel birefringence compensating AWG design.Optical Soc-iety of America.2000，WB4-1.)。K.Worhoff報道了用LPCVD生長高折射率氮化硅(Si3N4)作補償層、PECVD生長3μm×3μm低折射率氮氧化硅(SiON)作芯區(qū)的雙芯區(qū)方法減小波導的雙折射效應(yīng)(見文獻K.Worhoff，B.J.Offrein，P.V.Lambeck，et al.Rirefringence Compensation ApplyingDouble-Core Waveguide Structures.IEEE Photonics Technology Letters，11(2)206-208.)。而用PECVD生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層，在波導中心對稱刻蝕掉其中一半補償層實現(xiàn)波導及相關(guān)器件的偏振不靈敏，在國際上還沒有報道。
由于二氧化硅與硅襯底的熱膨脹系數(shù)不一致，硅基二氧化硅應(yīng)力光波導表現(xiàn)為正的雙折射系數(shù)，即Bnc＝nTM，nc-nTE，nc＞0 (1)而在該應(yīng)力光波導的上方或下方沉積一定厚度的高折射率SiON補償層可改變應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)，如附圖1所示(模擬結(jié)果)。SiON補償層可使應(yīng)力波導的雙折射系數(shù)補償為負值即Bc＝nTM，c-nTE，c＜0 (2)下標nc表示無補償層，c表示有補償層。基于這一事實，可將波導對稱地分為兩部分，一部分為沉積補償層的負雙折射系數(shù)的波導，另一部分用無沉積補償層的正雙折射系數(shù)的波導，這樣光通過整個波導后的光程為TM光L2·nTM,c+L2·nTM,nc---(3)]]>TE光L2·nTE,c+L2·nTE,nc---(4)]]>而通過整個波導后的雙折射為B＝(nTM，c-nTE，c)+(nTM，nc-nTE，nc)＝Bc+Bnc(5)恰當選擇SiON的厚度及折射率，就可使整個波導的雙折射系數(shù)降到足夠的小，達到10-5量級，實現(xiàn)整個光波導的偏振不靈敏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，關(guān)鍵在于在硅基二氧化硅光波導對稱的一半生長了可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層，使硅基二氧化硅光波導對光的偏振不靈敏，可實現(xiàn)硅基二氧化硅AWG和硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不靈敏。
本發(fā)明是通過下面方法實現(xiàn)的本發(fā)明一種用于實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，其特征在于，(1)在硅襯底上用熱氧化法、火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法形成二氧化硅下包層；(2)用等離子增強化學氣相沉積法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層；(3)在波導中心用反應(yīng)離子刻蝕法對稱刻蝕掉其中一半；(4)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長芯層；(5)進行拋光處理；(6)用反應(yīng)離子刻蝕法刻蝕芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14；(7)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長上包層，整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。
其中步驟(6)所述的對稱結(jié)構(gòu)的條狀光波導層可以是直波導、彎曲波導或二者的組合。
其中步驟(2)中的高折射率SiON補償層生長在芯區(qū)的上方，以中心對稱刻蝕掉其中一半，可實現(xiàn)整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。
其中步驟(2)中的高折射率SiON補償層同時生長在芯區(qū)的上方和下方，以中心對稱刻蝕掉其中一半，可實現(xiàn)整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)力光波導雙折射系數(shù)隨SiON補償層厚度、折射率變化圖；圖2是用高折射率SiON補償層實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的工藝流程圖；圖3是用高折射率SiON補償層實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的側(cè)向剖面圖；圖4是用高折射率SiON補償層實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的橫向剖面圖。
具體實施例方式
請參閱圖2，圖2-1是在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；圖2-2是用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12，SiON補償層的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；圖2-3是在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層12中的一半；圖2-4是用FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，折射率根據(jù)芯區(qū)與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；圖2-5是進行拋光處理；圖2-6是用RCE法刻蝕寬度為6μm的形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14；圖2-7是用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。圖3與圖4是硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢后的側(cè)向與橫向剖面圖。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導及相關(guān)器件的偏振不靈敏。
請參閱圖2-2中的SiON補償層12可生長在芯層13的上方。首先在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；用FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，折射率根據(jù)芯層與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；是用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層，SiON補償層的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層中的一半；進行拋光處理；用RCE法刻蝕寬度為6μm的芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14；用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。
請參閱圖2-2中的SiON補償層12可同時生長在芯層13的上方和下方。首先是在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12，SiON補償層12的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；是在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層中的一半；用FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，折射率根據(jù)芯區(qū)與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層13材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；進行拋光處理；再用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12；在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層中的一半；用RCE法刻蝕寬度為6μm的芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14；最后用FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。
請參閱圖2-6中刻蝕的可以是對稱的彎曲波導或直波導與彎曲波導的組合。首先在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12，SiON補償層12的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層12中的一半；FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14，折射率根據(jù)芯區(qū)與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層13材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；進行拋光處理RCE法刻蝕對稱的彎曲波導或直波導與彎曲波導的組合版圖；FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏波導制備完畢。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅彎曲波導或直波導與彎曲波導的組合的偏振不靈敏。
請參閱圖2-6中刻蝕的可以是對稱的AWG器件版圖。首先在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12，SiON補償層的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層中的一半；FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14，折射率根據(jù)芯層與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；進行拋光處理；RCE法刻蝕AWG的版圖FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏AWG制備完畢。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅AWG的偏振不靈敏。
請參閱圖2-6中刻蝕的可以是對稱的MZI器件版圖。首先在硅襯底10上用熱氧化法、火焰水解法(FHD)或等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)形成厚度應(yīng)不低于15μm的二氧化硅下包層11，以限制光的泄漏；用PECVD法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層12，SiON補償層的厚度和折射率應(yīng)根據(jù)實際硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的雙折射系數(shù)來調(diào)整，折射率可通過控制N的含量來實現(xiàn)；在波導對稱中心用反應(yīng)離子刻蝕法(RCE)對稱刻蝕掉SiON補償層中的一半；FHD法或PECVD法生長厚度為6μm芯層13，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層14，折射率根據(jù)芯層與包層的折射率差為0.75％來確定，芯層材料可以是P2O5-GeO2-SiO2、GeO2-SiO2或P2O5-SiO2；進行拋光處理RCE法刻蝕MZI版圖；FHD法或PECVD法不低于21μm的上包層15。整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏MZI制備完畢。通過該方法可實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅MZI型器件的偏振不靈敏。
權(quán)利要求
1.一種用于實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在硅襯底上用熱氧化法、火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法形成二氧化硅下包層；(2)用等離子增強化學氣相沉積法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層；(3)在波導中心用反應(yīng)離子刻蝕法對稱刻蝕掉其中一半；(4)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長芯層；(5)進行拋光處理；(6)用反應(yīng)離子刻蝕法刻蝕芯層，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層；(7)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長上包層，整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，其特征在于，其中步驟(6)所述的對稱結(jié)構(gòu)的條狀光波導層可以是直波導、彎曲波導或二者的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，其特征在于，其中步驟(2)中的高折射率SiON補償層生長在芯區(qū)的上方，以中心對稱刻蝕掉其中一半，可實現(xiàn)整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，其特征在于，其中步驟(2)中的高折射率SiON補償層同時生長在芯區(qū)的上方和下方，以中心對稱刻蝕掉其中一半，可實現(xiàn)整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導的偏振不靈敏。
全文摘要
一種用于實現(xiàn)具有對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅應(yīng)力光波導偏振不靈敏的方法，包括如下步驟(1)在硅襯底上用熱氧化法、火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法形成二氧化硅下包層；(2)用等離子增強化學氣相沉積法生長可調(diào)整波導雙折射系數(shù)的高折射率SiON補償層；(3)在波導中心用反應(yīng)離子刻蝕法對稱刻蝕掉其中一半；(4)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長芯層；(5)進行拋光處理；(6)用反應(yīng)離子刻蝕法刻蝕芯層，形成條狀對稱結(jié)構(gòu)的光波導層；(7)火焰水解法或等離子增強化學氣相沉積法生長上包層，整個對稱結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅偏振不靈敏應(yīng)力光波導制備完畢。
文檔編號G02B6/13GK1570686SQ03147558
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者安俊明, 李健, 郜定山, 夏君磊, 李建光, 王紅杰, 胡雄偉 申請人:中國科學院半導體研究所