CN1264032C - 光衬底上有一通道的光有源波导装置 - Google Patents

光衬底上有一通道的光有源波导装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一光有源装置，所述装置包括在光衬底(11，15，20)上的一光波导通道芯及一控制元件(32-33，37，40)。所述芯有一通道(12，17，25，31，35-36，38-39)和至少一个与通道相连的激活层(13，18，22)，所述通道的折射指数及激活层的折射指数大于衬底的折射率。所述光衬底(11，15，20)中的活动离子浓度小于0.01%。有利地是，它还包括沉积在激活层(13，18，22)上的一覆盖层(14，19，23)，所述覆盖层的指数低于激活层及通道(12，17，25，31，35-36，38-39)的指数。

Description

光衬底上有一通道的光有源波导装置
技术领域
本发明涉及一光衬底上有一通道的光有源装置。
本发明的领域为集成于衬底上的光学领域，所述领域尤其涉及一般可保证一灯光信号的放大、调制或转换功能的有源装置。这类装置包括一有源波导和一控制元件，所述控制元件可调制由波导通道传输的所述信号的某一特征，所述特征一般或为振幅或相位。所述波导通道有一芯，所述芯在衬底上实现，所述芯的折射率比周围介质的要高。
背景技术
已有多种方法可制造有源波导通道芯。
第一种方法应用了薄层技术。一般说来，衬底或为硅石或为硅，其上添增了一热氧化物，这样，其顶面即光衬底为二氧化硅。指数比二氧化硅的指数大的一层，通过任何一已知技术如火焰水解沉积(英文为“Flame Hydrolysis Deposition”)、配以或不配以等离子的热蒸汽或低压汽相化学沉积、真空蒸发、阴极溅射或离心沉积，沉积在光衬底上。
实施一放大器时，所述层通常为掺杂有稀土材料如铒(1.55微米的信号波长)或钕(1.3微米的信号波长)的二氧化硅。若相反，要生成一调制器或转换器，所述层通常由一具有光电性能的材料构成，尤其当为某些聚合物时。所述层还可有光热性能，例如为二氧化硅时。
于是，确定芯的掩模通过光刻技术附着在沉积的所述层上。芯再通过一化学蚀刻或干蚀刻如等离子蚀刻、反应式离子蚀刻或离子束蚀刻技术来实施。蚀刻后，取掉掩模，一般地，衬底上可沉积一覆盖层，以把芯掩蔽起来。所述覆盖层——其折射率低于芯的折射率——可限制周围介质造成的干扰，尤其是湿度造成的干扰。
因此，文献GB 2 346 706提出一芯，实施所述芯的两层是用同一掩模相继蚀刻而成。因此，所述芯为两重叠起来的条状，它们在衬底平面中尺寸相同。
所述方法要求必须进行一蚀刻工序，而所述工序难以控制空间分辨率平面和芯侧面的表面状态。所以，利用一氟化反应气体如CHF3掺杂铒的二氧化硅蚀刻法可产生氟化铒，这种化合物可显著增加蚀刻表面的不平度。而芯的表面状态和几何形状直接决定了有源波导通道传播中的损耗。
文献US 4 834 480中描述的第二种方法采用了离子交换技术。在此情况下，衬底为一玻璃，所述玻璃在相对较低的温度下，激活离子浓度(如钠)相当高。衬底还装配有一掩模，再将其浸入含有激活离子(如钾)的溶液中。因而，当溶液的激活离子与衬底的激活离子相互交换时，可通过增加连续折射率来实现所述芯。一般地，芯再由垂直于衬底面的一电场包围掩蔽起来。
所述方法极为简单。但采用这种方法，必须选择一特殊衬底，它不一定具备所需的所有特征。例如，不能从硅开始实施离子交换，但所述材料在费用、用于微电子中的处理工艺、热性能及其特征方面都占有很多优势。另外，离子交换会引起活动离子的大量侧向扩散，这样，空间分辨率也会受到严重限制。
可实施无源元件的第三种方法采用了离子注入技术。文献《Channel waveguides formed in fused silica and silica on silicon bySi，P and Ge ion implantation-LEECH P W et al-IEEEProceedings：Optoelectronics，Institution of Electrical Engineers，Stevenage GB-Volume 143 n°5，pages 281-286》中提出了一种沉积在二氧化硅光衬底上的装置。掺有锗的一层沉积在衬底上，再施加掩模，通过已沉积层的离子注入实现通道。所述层产生可使衬底变形的机械应力。由于层较厚而更加严重的变形，会损害波导通道的光规格，导致在光刻阶段时出现困难。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种光有源装置，所述装置有适当的空间分辨率及良好的表面状态。
根据本发明，所述装置包括光衬底上的一芯及一控制元件，所述芯有一通道和至少一个与通道相连的激活层，所述通道的折射率及激活层的折射率大于衬底的折射率；实际上，所述光衬底中可以不含活动离子。
在一相应衬底上，芯的几何形状只取决于通道的几何形状，因为激活层未被蚀刻。
最好，装置包括至少一个沉积在激活层上的覆盖层，所述覆盖层的指数低于激活层及通道的指数。
根据第一实施例，通道集成于衬底中。
根据第二实施例，通道突出于衬底上。
有利地是，激活层的指数等于衬底的指数乘以一大于1.001的因数。
例如，激活层的总厚度在1至20微米之间。
根据一特别特征，通道由衬底中离子注入而形成。
另外，最好，实施离子注入的衬底的面为二氧化硅。
例如，激活层为掺有稀土材料的二氧化硅，或根据所述装置的功能，为具有光电或光热性能的一材料。
本发明还涉及光衬底上一有源装置的制造方法。
根据第一变型，所述方法包括以下阶段：
——在光衬底上实施一掩模，以确定通道图形，
——已遮掩衬底的离子注入，
——取掉掩模，
——把至少一激活层沉积在衬底上，所述激活层的折射率大于衬底的折射率。
根据第二变型，所述方法包括以下阶段：
——衬底的离子注入，
——在光衬底上实施一掩模，以确定通道图形，
——在至少等于注入厚度的衬底的一厚度上蚀刻。
——取掉掩模，
——把至少一激活层沉积在衬底上，所述激活层的折射率大于衬底的折射率。
有利地是，所述方法在离子注入阶段后，还包括一衬底退火阶段。
另一方面，所述方法适用于实施以上所述装置的不同特征。
附图说明
现参照附图所示实施例详细描述本发明。
——图1示出了有源波导通道芯的一截面简图，
——图2示出了根据第一变型的芯的制造，
——图3示出了根据第二变型的芯的制造，
——图4为有源装置组的俯视图。
具体实施方式
首先，为简化本发明的介绍，只描述有源波导通道芯的实现。
如图1a所示，根据第一变型，衬底为硅，其上有一绝缘层，所述绝缘层或为增添的一热氧化物，或为沉积的一二氧化硅SiO2层或另外的材料层如Si3N4、Al2O3或SiON。此处一般为与带电活动离子玻璃相反的电或光介质。但不可能保证这些材料中绝没有活动离子。只能确定其活动离子浓度相当小，如低于0.01％。
因此，衬底有一顶面或光衬底11，所述光衬底通常为二氧化硅，其厚度如为5至20微米。此处，离子注入形成的通道12集成在光衬底中，所述光衬底上又覆盖有一激活层13。通道的折射指数自然高于二氧化硅的折射指数。例如，5微米厚的激活层为掺杂有铒的二氧化硅，其折射指数高于光衬底的折射指数，如0.3％。所述激活层还可由若干薄层重迭而成。最好，仍可由薄层重迭成的覆盖层14提供在激活层13上面。厚度仍为5微米的所述覆盖层的指数小于激活层及通道的指数；此时，它为未掺杂的二氧化硅。
根据第二变型，衬底没有与光衬底之间的绝缘层，因而它融入光衬底中。例如，它为III-V型半导体化合物如InP、GaAs、AlGaAs或InGaAsP。在附着激活层——它由和衬底物质相似的掺杂的一物质获得——之前，通道已植入。当然，不同光学材料如硅或铌酸锂都适合于光衬底。
不通道采用哪种变型，与通道12和激活层13相关连的芯都可支持一种或几种传播方式，所述传播方式的性能由所用光、几何特征确定。
如图1b所示，当通道的折射指数相对较小如为1.56时，展开的传播方式GM在激活层13中大范围扩展开。通道的宽度如为7.5微米及所述激活层的厚度的选择可使GM传播方式尽可能接近光纤的传播方式。还可获得与光纤的一耦合系数如值为90％。导向方式的有效指数小于激活层及通道的折射指数；而大于顶面11和覆盖层14的折射指数。
如图1c所示，须注意，芯还可支持另一种缩减传播方式PM，其在激活层13内的传播范围要小得多。当然，通道的指数相对较高如为1.90。通道的宽度可极大地缩小。此处，导向方式的有效指数大于激活层的指数且小于通道的指数。缩减传播方式PM的侧限制很大。
采用离子注入技术，是因为它可准确确定一厚度极薄如为几百毫微米的通道。
另外，现在，所述技术的离子注入剂量精确度极高，通常为1％。二氧化硅光衬底的折射指数或没有或很少变化，所以，通道指数的精确度很高。例如，分别注入1016/cm2和1017/cm2的钛剂量，折射指数的精确度分别达到10-4和10-3。研究扩展传播方式GM时，所述精确度尤其重要，因为通道的指数是极大影响与光纤的耦合的一个参数。
如图2a所示，芯的第一种制造方法包括第一阶段，所述第一阶段即利用一传统光刻法在光衬底15上实施一掩模16。所述掩模为形成离子注入时不可逾越的一道障碍的树脂、金属或其它任何材料。可能，掩模可通过一直接写入法获得。
如图2b所示，通道17通过已遮掩衬底的离子注入而形成。例如，要注入钛，注入的剂量在1016/cm2至1018/cm2之间，能量在几十至几百KeV(千电子伏特)之间。
如图2c所示，例如可通过一化学蚀刻法取掉掩模。衬底再退火，以减小在芯内传播的损耗。退火尤其可消除晶状结构的缺陷和吸收性彩心，稳定新化合物，恢复通道的化学计量。例如，温度在400至500摄氏度之间，大气受到控制，或为自由空气，而时间期限约为几十小时。
如图2d所示，激活层18通过任何一种已知技术沉积在衬底15上，只要其可产生一种弱损耗材料，所述材料的折射指数可很容易控制。最后，覆盖层19还可沉积在激活层18之上。
可注意到，所述第一种方法的优点在于，可确定完全为平面结构的一有源波导通道，因为它没有蚀刻阶段。
如图3a所示，波导通道芯的第二种制造方法的第一阶段在于注入整个光衬底20。注入剂量及能量可和第一种方法中提到的值相同。
如图3b所示，下一阶段即在衬底20上实施一掩模21。所述掩模图形和第一种方法中的相同，但可不必经过注入阶段。
如图3c所示，通道25通过在至少等于注入厚度的光衬底的一厚度上蚀刻而形成。任何一种蚀刻技术都可以，只要这种技术能产生可接受的通道的几何特征，尤其是其侧面的表面状态和剖面。
如图3d所示，掩模被取掉，衬底再退火。激活层22及可能还有覆盖层23可根据第一种方法沉积。
根据第二种方法，可极大减小蚀刻的缺陷，因为通道的厚度很薄。
现描述本发明如何实施光有源装置。
如图4a所示，一放大器包括第一直线形通道31，和激活层相连的所述通道构成有源波导通道芯。此处，控制元件为第二内弯通道32，所述通道有一直线形耦合段33，所述部分紧邻第一通道31并与之平行。安装第二通道32可传输一光脉冲信号。同时可利用掩模实施第一通道，所述掩模实际上确定了两通道。
如图4b所示，一调制器由一所谓“Mach Zehnder”干扰仪构成。掩模现确定了一通道34，所述通道又分为第一35、第二通道36，所述两通道再接合在一起，重又形成一唯一通道。第二通道36的一部分***绕着一对矩形电极37，图中未示出所述电极如何连接。例如，所述电极可采用薄层技术沉积在激活层上。此处，所述层为具有光电性能的材料，即其折射指数随其所在的电场而变化。控制元件由第二通道36和电极对37组合而形成。
如图4c所示，一转换器由一耦合器构成，所述耦合器包括两平行的第一通道38和第二通道39，所述两通道在耦合段时相互靠近，再分离开。用同一衬底实施而成的所述两通道覆盖有激活层。例如，所述层为一具有光热性能的材料，即折射指数根据温度而变的一材料。在耦合段，在第二通道39之上，一电极40沉积在所述激活层上面，所述电极的功能就是局部加热所述层。电极40构成控制元件。
上述根据本发明的实施例可根据其具体特征进行选择。但完全列举出根据本发明的所有实施是不可能的。尤其，所述任何阶段或任何装置都可用一等效阶段或装置来代替，而并未超出本发明的范围。

Claims (29)

1、一种光有源装置，所述装置包括光衬底(11，15，20)上的一芯及一控制元件(32-33，37，40)，所述芯有一通道(12，17，25，31，35-36，38-39)和至少一个与通道相连的激活层(13，18，22)，所述通道的折射指数及激活层的折射指数大于衬底的折射率，其特征在于，所述光衬底(11，15，20)中的活动离子浓度小于0.01％。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，它包括至少一个沉积在激活层(13，18，22)上的覆盖层(14，19，23)，所述覆盖层的指数低于激活层及通道(12，17，25，31，35-36，38-39)的指数。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述通道(12，17)集成于所述衬底(11，15)中。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道(25)突出于所述衬底(20)上。
5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激活层(13，18，22)的指数等于衬底(11，15，20)的指数乘以一大于1.001的因数。
6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激活层(13，18，22)组的厚度在1至20微米之间。
7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道(12，17，25，31，35-36，38-39)由对所述衬底(11，15，20)离子注入而形成。
8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，实施离子注入的衬底(11，15，20)的面为二氧化硅。
9、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激活层(13，18，22)为掺有稀土材料的二氧化硅。
10、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激活层(13，18，22)具有光电性能。
11、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激活层(13，18，22)具有光热性能。
12、在光衬底上有源装置的制造方法，包括至少一控制元件(32-33，37，40)的实施阶段，其特征在于，它还包括以下阶段：
——在所述光衬底(15)上实施一掩模(16)，以确定通道(17)图形，
——对已遮掩衬底进行离子注入，
——取掉掩模，
——把至少一激活层(18)沉积在衬底上，所述激活层的折射率大于衬底的折射率。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在离子注入阶段之后，它还包括一衬底(15，20)退火阶段。
14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，它包括在所述激活层(18，22)上沉积一覆盖层(19，23)的阶段，所述覆盖层的指数低于激活层及通道(17，25)的指数。
15、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的指数等于衬底(15，20)的指数乘以一大于1.001的因数。
16、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，激活层(18，22)组的厚度在1至20微米之间。
17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，实施离子注入的衬底面(15，20)为二氧化硅。
18、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料为掺有稀土材料的二氧化硅。
19、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料具有光电性能。
20、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料具有光热性能。
21、在光衬底上有源装置的制造方法，包括至少一控制元件(32-33，37，40)的实施阶段，其特征在于，它还包括以下阶段：
——衬底(20)的离子注入，
——在所述衬底上实施一掩模(21)，以确定通道(25)图形，
——在至少等于注入厚度的衬底的一厚度上蚀刻。
——取掉掩模，
——把至少一激活层(22)沉积在衬底上，所述激活层的折射率大于衬底的折射率。
22、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在离子注入阶段之后，它还包括一衬底(15，20)退火阶段。
23、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，它包括在所述激活层(18，22)上沉积一覆盖层(19，23)的阶段，所述覆盖层的指数低于激活层及通道(17，25)的指数。
24、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的指数等于衬底(15，20)的指数乘以一大于1.001的因数。
25、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，激活层(18，22)组的厚度在1至20微米之间。
26、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，实施离子注入的衬底面(15，20)为二氧化硅。
27、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料为掺有稀土材料的二氧化硅。
28、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料具有光电性能。
29、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述激活层(18，22)的材料具有光热性能。
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