CN1558260A - 一种基于紫外光直写技术制作波导布拉格光栅的方法 - Google Patents

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李明
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一种基于紫外光直写技术制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于采用掺杂锗的二氧化硅基片，利用集成电路工艺在SiO2基片上镀制一层掩模薄膜，并进行光刻、腐蚀工艺制作出波导布拉格光栅的掩模图形，再利用紫外光源在二氧化硅基片表面上照射，使得二氧化硅基片的掺锗的波导芯层发生光学折射率变化，从而制作出波导布拉格光栅。用该方法制作布拉格光栅不仅简单易行，而且可以制作多种结构、多种参数的波导布拉格光栅，并可实现波导光栅的进一步集成，从而可降低成本，扩大波导光栅的应用范围，提高波导光栅的生产效率和成品率。

Description

一种基于紫外光直写技术制作波导布拉格光栅的方法
技术领域
本发明涉及一种制作波导布拉格光栅(WBG)的方法，特别涉及利用紫外光(UV)直写技术制作波导布拉格光栅的方法，属于光通信与光传感领域。
背景技术
光纤光栅于1978年被发明以来，由于在数据通信和密集波分复用(DWDM)光通讯网和光纤传感器中的广泛应用，而得到迅速发展，例如：掺锗、载氢增强光敏性，切趾术抑制旁瓣，啁啾术扩宽光波响应等新技术不断涌现。
光纤光栅的制作方法经历了三个阶段：内部写入法、全息法和相位掩模法。后一种方法相对前两种方法，由于易于对准，激光光源稳定性和相干性要求较低，因而倍受世人青睐。
在相位掩模法制作光纤光栅中(如图1所示)，光敏光纤紧贴在相位掩模板下，紫外激光光束经过相位掩模板后，0级衍射光受到抑制，±1级衍射光相干涉，形成明暗相间的干涉条纹，干涉条纹横向照射到光敏光纤上，明条纹引起光敏纤芯局部光学折射率的增加，而在暗条纹处不受影响。这样，纤芯光学折射率周期性的变化就形成了光纤光栅。
近年来，由于集成光学的兴起，需要在平面波导上制作波导光栅，包括平板波导光栅和条形波导光栅。与光纤光栅相比，波导光栅具有可批量制作、成本低、易于集成等优点。但是现有的波导光栅制作工艺，主要是参照光纤光栅的制作方法中第三阶段的制作方法---相位掩模法来制作。采用掺锗二氧化硅基片上的波导，其掺锗波导芯层特性与光敏光纤的纤芯材料相似，都具有光敏性。紫外激光光束被反射镜反射，垂直照射到相位掩模版上。在相位掩模版下，0级衍射光受到抑制，±1级衍射光相干涉，形成明暗相间的干涉条纹，干涉条纹照射到已经制作出波导的掺锗硅基二氧化硅基片上，明条纹处使得波导芯层的光学折射率发生改变，暗条纹处波导芯层光学折射率不发生改变，这样就制作出了波导光栅。移动反射镜可将紫外激光光束反射到相位掩模版的各个部位，制作出相应长度的光栅。制作过程中，通过控制波导相对相位掩模版移动的速度，可制作出相应的切趾波导光栅；通过改变相位掩模版的形状和周期可以制作出相应的啁啾波导光栅。这种方法制作波导光栅要求紫外激光器具有一定的空间相干性；制作过程中需同时移动反射镜和平台，具有较高的工艺难度和复杂性；对相位掩模版精度要求很高，因为相位掩模版下的0级衍射光与±1级衍射光发生干涉，若0级衍射光占紫外激光光束总能量的0.1％以上，都会破坏波导光栅周期和光学折射率变化量的均匀性；波导上的每一条待照光栅都需要与相位掩模版精确对准，即费时费力，器件的成品率和可靠性又低。而且一块相位掩模版只能对应一种波导光栅，如果需制作的波导光栅的工作波长、切趾要求或啁啾参数不同则需要不同的相位掩模版；并且相位掩模版的制作费用昂贵，如果要实现波导光栅的进一步集成，例如用多个波长不同的波导光栅构成波分复用器/解复用器将非常困难。因此采用如上所述的相位掩模版制作工艺制作波导光栅，由于受到相位掩模版和工艺的限制，使得波导光栅的生产效率低，成本高，从而使得波导光栅无法发挥出自身的优点。
发明内容
本发明的目的在于克服已有波导光栅制作技术的不足之处，利用现有的集成电路工艺和掺锗二氧化硅材料特性，方便的一次性写入多个不同光栅，既降低器件成本，又提高波导布拉格光栅的制作成品率和可靠性；而且也可以采用高压载氢的方法以增强光敏性，提高光栅制作效率；还可以控制反射镜或波导移动速度来调节曝光量以制作波导切趾光栅；也可以改变掩模版的图形大小和周期来改变光学折射率变化区域的周期制作出波导啁啾光栅，从而极大发挥出波导布拉格光栅的潜在优势。
本发明提出了一种全新的利用紫外写入技术制作波导布拉格光栅的方法，其主要特征为：
(1)在二氧化硅基片的波导表面上镀制一层掩模薄膜，在薄膜上进行光刻、腐蚀工艺，制作出波导布拉格光栅的掩模图形，再利用紫外光源在二氧化硅基片表面上照射，利用二氧化硅基片的掺锗的波导芯层的光敏性，发生化学折射率变化，在二氧化硅基片的波导上写入光学折射率周期变化，从而制作出波导布拉格光栅。
(2)如步骤(1)所述的二氧化硅基片其进一步特征为：二氧化硅基片的表面或是平板波导表面，或是已制作成为条形波导的表面。即波导布拉格光栅或制作在平板波导上，或制作在条形波导上。并且采用的二氧化硅基片或是高掺锗二氧化硅基片，其摩尔浓度一般大于10mol％，或是通常掺锗二氧化硅基片(锗含量小于10mol％)再进一步高压载氢，以增强平板波导的光敏性，提高光栅的制作效率。而且采用的二氧化硅基片的衬底或是单晶硅材料，或是石英材料或玻璃材料。
(3)如步骤(1)所述的制作出的波导布拉格光栅其进一步特征为：制作出的波导布拉格光栅或是平板波导布拉格光栅，或是条形波导布拉格光栅或者是长周期的波导光栅。
(4)如步骤(1)所述镀制的掩模薄膜其进一步的特征为：镀制的薄膜或是金属薄膜，如铝、铬薄膜，或是其它能阻挡紫外光透射并能容易去除的薄膜，如硅薄膜。
(5)如步骤(1)所述的在薄膜上进行光刻、腐蚀工艺制作出波导布拉格光栅的掩模图形的进一步特征为：采用包含光栅结构的光刻掩模版在已生长掩模层的二氧化硅基片的表面进行集成电路中的常规光刻工艺，腐蚀后露出二氧化硅基片表面上的光学折射率待变化区域，不需要使用其它掩模版。也可采用纳米压印技术代替常规光刻工艺，它在一定的温度和压力下使用模具在二氧化硅基片表面的柔性聚合物等薄膜上压印形成所需波导布拉格光栅的图形，再将图形转移到二氧化硅基片上，从而形成波导布拉格光栅。纳米压印技术可实现的光刻精度小于20纳米。
(6)如步骤(1)所述的采用紫外照射的方法其进一步的特征为：使用玻璃基片可以采用离子交换技术代替紫外光直写方法产生光学折射率的变化。而使用单晶硅材料或者石英材料作为基底的二氧化硅基片可以采用离子注入技术代替紫外光直写方法产生光学折射率的变化。
(7)如步骤(1)所述的二氧化硅基片的掺锗的波导芯层的光学折射率变化其进一步的特征为：紫外光照射到的掺锗二氧化硅基片的表面区域，光学折射率将发生改变；紫外光被掩模阻挡在掺锗二氧化硅基片的表面外，光学折射率将不发生改变或变化很小。而且紫外光照射后，掺锗二氧化硅基片表面光学折射率改变区域和光学折射率不改变区域交替、周期性地出现，形成波导布拉格光栅。
(8)如步骤(2)所述的条形波导布拉格光栅制作方法其进一步的特征为：可以在布拉格光栅区域光学折射率变化后，采用SiO2刻蚀技术在平板波导上刻蚀出条形波导芯层，最后在其表面上覆盖上包层，从而制作出条形波导布拉格光栅。
(9)如步骤(2)所述的条形波导布拉格光栅制作方法其进一步的特征为：可以在平板波导表面上形成上包层，然后利用刻蚀技术刻蚀覆盖层形成布拉格光栅图形，所形成的上包层布拉格刻蚀槽图形将等效为平板波导芯层的光学折射率变化，从而形成条形波导布拉格光栅。
(10)如步骤(8)所述的条形波导布拉格光栅制作方法其进一步特征为：制作条形波导布拉格光栅可以先在平板波导表面刻蚀出条形波导，然后镀上金属薄膜，制作出布拉格光栅图形，最后覆盖上包层形成条形波导布拉格光栅。也可以先在平板波导表面镀上金属薄膜，制作出布拉格光栅图形，然后刻蚀出条形波导，最后覆盖上包层形成条形波导布拉格光栅。
(11)如步骤(9)所述的条形波导布拉格光栅制作方法其进一步特征为：上包层的刻蚀槽可以填充聚合物材料，并可利用热光效应、电光效应对聚合物材料的光学折射率进行控制，形成可控条形波导布拉格光栅。
(12)如步骤(11)所述的条形波导布拉格光栅制作方法中，其上包层的进一步特征为：条形波导上的上包层可以是SiO2，也可以是光学折射率匹配的聚合物材料。
(13)如步骤(1)所述的制作出的波导布拉格光栅其进一步特征为：制作出的波导布拉格光栅类型可以是啁啾光栅、切趾光栅、取样光栅、超结构光栅等基于平面波导内厚光栅衍射原理的光栅。
(14)如步骤(13)所述制作出的切趾光栅其进一步的特征为：制作出的切趾光栅可以通过调节掩模版的占空比来实现。也可以控制紫外激光束的移动速度来实现。
附图说明
图1：现有的相位掩模法制作光纤光栅的示意图。
图2：本发明的紫外直写技术制作的波导光栅的示意图。
图3A-H：本发明的实施例制作过程示意图。
图1为现有的相位掩模法制作光纤光栅的示意图，图中1为为紫外激光光束，2为反射镜，3为光敏光纤包层，4为光敏光纤纤芯，5为光敏光纤纤芯光学折射率的变化区域，6反射镜面的移动方向，7为相位掩模，8为光敏光纤中的光信号输出方向。改变相位掩模版周期τ能改变光栅的中心波长和制作啁啾光纤光栅，改变反射镜移动速度或光敏光纤移动速度能制作切趾光纤光栅。
图2为本发明的紫外直写技术制作波导光栅的示意图，图中9为金属薄膜，10为掺锗波导芯层，11为经过紫外光照射后的光学折射率变化区域，12为掺锗硅基二氧化硅基片上的波导下包层，13为掺锗二氧化硅衬底。改变金属膜周期λ能改变波导布拉格光栅的中心波长和制作啁啾波导布拉格光栅，改变反射镜移动速度或二氧化硅基片移动速度能制作切趾波导光栅。
图3A-H为本发明的实施例制作过程示意图，其中图3A为掺锗硅基二氧化硅基片示意图，图中10为掺锗波导芯层，12为掺锗硅基二氧化硅基片上的波导下包层，13为掺锗二氧化硅基片的衬底，图3B为在掺锗硅基二氧化硅基片上镀制一层金属薄膜示意图，图中9为镀制的金属薄膜，图3C为利用光刻、腐蚀工艺暴露出平板波导上欲进行紫外光照射的波导芯层区域示意图，图3D为利用紫外光照射暴露出的波导芯层区域，使其发生光学折射率变化示意图，图中11为经过紫外光照射后的光学折射率变化区域，图3E为去除作为掩模的金属薄膜，图3F利用光刻和刻蚀工艺在平板波导上刻蚀出所需的条形波导端面示意图，图中14为在光学折射率变化的波导芯层刻蚀出的条形波导端面，图3G为利用光刻和刻蚀工艺在平板波导上刻蚀出所需的条形波导侧面示意图，图中15为条形波导，16为波导中光学折射率的变化区域，图3H为在波导芯层上覆盖制作上包层的波导端面示意图，图中17为覆盖的上包层。
具体实施方式
通过下面实施例进一步阐明本发明实质性特点和显著进步。
实施例1本发明提供的基于UV直写技术制作波导布拉格光栅的具体的制作步骤是：
1.掺锗硅基二氧化硅基片上先镀制一层金属薄膜(图3A-B)。
2.利用光刻、腐蚀工艺暴露出平板波导上欲紫外光照射的波导芯层区域(图3C)。
3.通过用UV(紫外)准分子激光器(例如，KrF或ArF准分子激光器)发出的激光束照射暴露出来的波导芯层区域，以便使暴露出的掺锗波导芯层的光学折射率发生改变，而没有暴露出的掺锗波导芯层的光学折射率不发生改变或变化很小(图3D)。
4.去除作为掩模的金属薄膜(图3E)。
5.利用光刻和刻蚀工艺在平板波导上刻蚀出所需的条形波导(图3F)。
6.对基片进行退火处理，使芯层光学折射率的变化永久固定(图3G)。
7.在制做好布拉格光栅图形的条形波导芯层上覆盖上包层(图3H)。

Claims (10)

1.一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：在掺锗的二氧化硅基片的表面镀制一层薄膜，利用光刻、腐蚀工艺制作出欲紫外写入的布拉格光栅掩模图形，然后利用紫外光照射，使得二氧化硅基片的掺锗的波导芯层发生光学折射率变化，由此制作出波导布拉格光栅。
2.按权利要求1所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：掺锗的二氧化硅基片的表面或是平板波导表面，或是已制作成为条形波导的表面；波导布拉格光栅或制作在平板波导上，或制作在条形波导上；制作的波导布拉格光栅或是平板波导布拉格光栅，或是条形波导布拉格光栅和长周期的波导光栅。
3.按权利要求1或2所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：
(1)采用的二氧化硅基片或是高掺锗的二氧化硅基片；或是普通掺锗二氧化硅基片再进一步高压载氢，以增强平板波导的光敏性；
(2)高掺锗摩尔浓度大于10mol％；低掺锗摩尔浓度小于10mol％；
(3)采用的二氧化硅基片的衬底或是单晶硅材料，或是石英材料，或是波导布拉格光栅直接制作在玻璃基片材料上；
(4)在二氧化硅基片上镀制的薄膜或是金属薄膜，或是其它能阻挡紫外光透射并能容易去除的薄膜。
4.按权利要求1所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：在二氧化硅基片的表面进行纳米压印光刻，腐蚀后露出二氧化硅基片表面上的光学折射率待变化区域，以达到深亚微米的光刻精度。
5.按权利要求1和3所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：或采用离子交换技术代替紫外光直写方法在玻璃基片上产生光学折射率的变化；或采用离子注入技术代替紫外光直写方法在单晶硅材料或者石英材料上产生光学折射率的变化。
6.按权利要求1所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：紫外光照射后，掺锗二氧化硅基片表面光学折射率改变区域和光学折射率不改变区域交替、周期性地出现，从而形成波导布拉格光栅。
7 权利要求2所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于所述的条形波导布拉格光栅的制备方法是：
(1)在布拉格光栅区域光学折射率变化后，采用SiO2刻蚀技术在平板波导上刻蚀出条形波导芯层，最后在其表面上覆盖上包层，从而制作出条形波导布拉格光栅；
(2)先在平板波导表面刻蚀出条形波导，然后镀上金属薄膜，制作出布拉格光栅图形，最后覆盖上包层形成条形波导布拉格光栅；
(3)先在平板波导表面镀上金属膜，制作出布拉格光栅图形，然后刻蚀出条形波导，最后覆盖上包层形成条形波导布拉格光栅；
(4)在平板波导表面上形成上包层，然后利用刻蚀技术刻蚀覆盖层形成布拉格光栅图形，所形成的上包层布拉格刻蚀槽图形将等效为平板波导芯层的光学折射率变化，从而形成条形波导布拉格光栅。
8.按权利要求7所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：上包层的刻蚀槽内填充聚合物材料，并利用热光效应、电光效应对聚合物材料的光学折射率进行控制，形成可控条形波导布拉格光栅；条形波导上的上包层或是SiO2，或是光学折射率匹配的聚合物材料。
9.按权利要求1所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：制作出的波导布拉格光栅类型或是啁啾光栅、切趾光栅、取样光栅、超结构光栅等中一种。
10.按权利要求9所述的一种制作波导布拉格光栅的方法，其特征在于：制作出的切趾光栅或通过调节掩模版的占空比来实现；或控制紫外激光束的移动速度来实现。
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