專利名稱：光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法
技術領域：
本項發(fā)明涉及到光學器件與光纖之間的耦合連接。特別是屬于脊型波導器件與光纖耦合連接的制備技術。
背景技術：
光通訊系統(tǒng)中光在發(fā)生器、轉換器、以及接收器之間的傳輸是通過光纖連結來實現的。所以改善光學器件和光纖之間的耦合技術十分必要。迄今為止，實驗室所采用的耦合技術是，首先將分離的光纖陣列和光波導陣列進行對準，然后用特定的紫外固化膠將其固定連接。這種封裝技術最大的問題在于對準非常困難，光纖-波導對的對準需要進行5維的微調。另外，所制成的集成塊的壽命受環(huán)境影響較大。由于光纖-波導之間的對準容差很小，紫外固化膠的相對微小變形都會導致器件的通光性能下降。而且在這種的技術下，無論是采用光斑轉換器還是對光纖進行處理來增加耦合效率，都會大大加重對準和封裝的工作，從而增加封裝成本。由于以上的耦合辦法有著諸多缺點，科研工作者一直想實現波導器件和光纖定位槽在同一基片上的集成。但是這種集成面臨著兩個工藝難題其一是與光纖相接的波導端面不能進行垂直拋光處理，其二是不能在波導端面鍍反射膜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其為以上問題的解決提供了新的思路，在很大程度上改善了光路的對準和器件的封裝，減少了器件壽命對環(huán)境的依賴，并且，在光斑轉換器的幫助下能夠獲得較高的耦合效率。
本發(fā)明一種光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，包括如下步驟a)選用雙面拋光的SOI基片，在SOI基片上沿斜線x1方向劃片，將其分割成三部分，其中兩端的部分用于制作光纖定位槽，中間的制作成波導區(qū)，它由光斑轉換器和波導器件組成；b)并對波導區(qū)進行端面拋光和氧化處理，將這三部分健合在同一硅片上；c)利用版圖通過一次光刻將光纖定位槽、光斑轉換器、和波導器件的圖形同時形成在制作步驟一中加工好的襯底上；d)利用版圖在波導區(qū)形成雙層掩膜，并利用版圖先后制作出光斑轉換器和波導器件；e)采用低濃度氫氧化四甲基銨＜5wt.％+少量過硫酸銨腐蝕出光纖定位槽；以及采用濃度較高氫氧化四甲基銨＞20wt.％腐蝕出光斑轉換器和光波導器件；f)利用高精度的步進電機制作光斑轉換器，所得到的光斑轉換器為水平和垂直楔型漸變的形狀，并且楔變長度較長。
其中所述的斜線x1與SOI基片I所標定的{110}晶向x3的夾角由光入射的布儒斯特角決定。
其中，對波導區(qū)進行端面拋光時要保持端面的傾斜度，另外，端面的氧化層可以掩蔽住各向異性腐蝕溶液對端面的侵蝕。
其中，光纖定位槽區(qū)是SOI背面向上健合，而波導區(qū)是SOI正面向上健合；其中，光纖定位槽區(qū)和波導區(qū)對接的端面保持平行，并且平行與x1方向。
其中，健合時，光纖定位槽區(qū)和波導區(qū)有一間隙，為制作提供容差。
其中，光纖定位槽區(qū)的掩膜為二氧化硅(SiO2)；波導區(qū)第一層掩膜為SiO2，第二層掩膜為金屬鈦或鉻金。
其中濃度較低的腐蝕溶液為3wt.％氫氧化四甲基銨+0.3wt.％過硫酸銨濃度。
其中，濃度較高氫氧化四甲基銨為25wt.％。
其中，光斑轉換器長度大于1000μm。


為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1a和圖1b分別是按照一定角度劃片和對制作波導區(qū)的基片進行端面處理示意圖；
圖2是健合示意圖；圖3是包含波導器件VIII、光斑轉換器VII和光纖定位槽VI圖形的簡易版圖；圖4是掩蔽波導和光斑轉換器區(qū)域的版圖；圖5是掩蔽波導區(qū)域的版圖；圖6是光斑轉換器VII結構示意圖；圖7是制作光斑轉換器的裝置示意圖；圖8是耦合部分的立體圖；圖9是嵌入V-型槽中，外包層的一側具有金屬薄膜光纖的示意圖。
具體實施例方式
選取雙面拋光的SOI基片I作為加工材料。襯底為{001}晶面。首先用激光刀進行劃片。如圖1a所示，直線x2和x3分別沿相互垂直的<110>晶向，斜線x1與線x3的夾角為a1，它由以后形成的布儒斯特角決定。用激光刀沿斜線x1方向將SOI基片劃開，將SOI片分成三部分，中間的部分用于制作脊型波導器件，例如光開關陣列，兩端的部分用于制作光纖定位槽，即V-型槽。
對SOI基片的中間部分在x1處的端面進行精細拋光和氧化工作。首先進行端面拋光，在拋光的過程中保持a1傾角不變，寬度為W1。將拋光后的基片放在氧化爐中，進行干法氧化數小時，在氧化的過程中要使基片的表面和氧氣隔離。樣品如圖1b所示。
將三部分基片清洗干凈后，按照圖2的方式健合在硅片II上。中間一部分是SOI正面向上健合，而兩端的部分則背面向上健合，并且保持對接面平行。這樣三部分基片的同一<110>晶向將按照所要求的方式互成一定的角度。另外，在交界處有一定的間隙b，它可以為以后的工藝提供制作容差。將上面健合好的樣品放在氧化爐中進行干法氧化處理。
用圖3a所示的版圖III對樣品進行光刻。在III上中間的部分為波導區(qū)，兩端為光纖定位槽區(qū)。波導器件VIII與SSC VII的總長度為W2，有w1+b＞W2；波導器件VIII長度W3；版圖上V-型槽VI的寬度W4是由光纖和波導在豎直方向的對準位置和材料的縱橫腐蝕比來決定。波導的縱向平行于晶向x2，其輸入、輸出端也平行于x2方向。V-型槽VI的方向平行于晶向x3。這樣是為了保證光線以布儒斯特角入射到波導中。當光線以TM波形式傳播時，透射系數和反射系數分別為R=(n2cosθi-n1cosθt)2(n2cosθi+n1cosθt)2,]]>T=4n1cosθtn2cosθi(n2cosθi+n1cosθt)2]]>當入射角θi＝arctg(n2/n1)時，R＝0，即光可以無反射的進入第二介質。例如，當波導和光纖之間采用匹配液時，n1＝1.45，n2＝3.50。因此， θsi＝22.5°＝a1，如圖3b。
通過光刻將版圖III的圖形形成在樣品表面，并且將表面曝光處的SiO2薄膜去掉。這時由于中間區(qū)域端面經歷了兩次氧化，因此它的SiO2層較厚，這層薄膜沒有在此次光刻中被去除掉只是被減薄了，它將在以后的樣品刻蝕中對端面起保護作用。
在樣品表面濺射一層金屬薄膜，要求這層金屬薄膜在腐蝕溶液中的腐蝕速度極小。由于在這里我們選用氫氧化四甲基銨(THAM)腐蝕溶液，所以相應的金屬薄膜可選用鈦、金等。然后用圖4所示的版圖IV進行光刻，去掉V-型槽區(qū)域的金屬薄膜。
采用THAM(3wt.％)各向異性腐蝕溶液腐蝕V-型槽，在這種濃度下硅具有很高的腐蝕速度約1.1μm/min。為了提高腐蝕底面的光滑度，在溶液中加入適當的氧化劑過硫酸銨(NH4)2S2O8(0.3wt.％)。過硫酸銨的作用很大，它不但能夠抑制硅底面“小山包”的形成，而且能夠提高硅與二氧化硅的腐蝕比(高達2000/1)。在THAN(3wt.％)+(NH4)2S2O8(0.3wt.％)腐蝕溶液中，晶面(100)和(111)腐蝕比約34∶1。另外，這種腐蝕溶液不腐蝕金屬鈦和金。
在以后用濕法腐蝕溶液制作光斑轉換器和波導的過程中，腐蝕的V-型槽部分將不再另加掩膜進行掩護。V-型槽是由{111}晶面組成，在3wt.％THAM腐蝕液中，{111}晶面與{001}晶面的腐蝕速度之比約1∶34，所以在腐蝕V-型槽的時候按比例少腐蝕一段時間，然后在以后的波導器件腐蝕的過程中加以補償。
下面的工作是用圖5所示的版圖V再次進行光刻，讓光斑轉換器的部分露出而掩蔽住波導區(qū)。去掉光斑轉換器部分的金屬掩膜，以便制作光斑轉換器。從圖中可以看出，版圖IV和V相似，只是擋光部分的寬度不同。
在此采用的光斑轉換器VII的結構是垂直和水平都楔型漸變的形式，如圖6。這種結構的光斑轉換器可以將光纖中的光斑轉換成脊型波導中的光斑形狀，從而減小了光的輻射損耗。這里提供了一種簡單的制作方法將樣品懸掛在一個步進電機的下面，步進電機的步長在微米量級。在計算機控制下將樣品緩慢的浸入到腐蝕溶液中，利用樣品前后部分的腐蝕時間的不同從而得到垂直楔變的波導結構。通過調節(jié)樣品的下降速度和腐蝕速度之比，可以調節(jié)楔變的角度。如圖7。
光斑轉換器形成后，去掉剩余部分的金屬掩膜。將整個樣品浸入到腐蝕溶液中刻蝕出波導圖形。由于波導的刻蝕深度比較淺，為了使刻蝕速度容易，應該采用25.％THAM。硅在這種濃度下的腐蝕速度很慢而且腐蝕表面光滑。最后濺射上一層SiO2保護膜，如圖8。
將光纖嵌入V-型槽中與波導對準后并用紫外固化膠固定，這種紫外固化膠的折射率與光纖的相匹配，將這種膠填滿光纖與波導的隔離槽。
另外為了提高制作容差，最好在光纖的外包層的一側鍍一層金屬薄膜。這樣可以使光纖在V-型槽中微調，如圖9。
權利要求
1.一種光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，包括如下步驟a)選用雙面拋光的SOI基片，在SOI基片上沿斜線x1方向劃片，將其分割成三部分，其中兩端的部分用于制作光纖定位槽，中間的制作成波導區(qū)，它由光斑轉換器和波導器件組成；b)并對波導區(qū)進行端面拋光和氧化處理，將這三部分健合在同一硅片上；c)利用版圖通過一次光刻將光纖定位槽、光斑轉換器、和波導器件的圖形同時形成在制作步驟一中加工好的襯底上；d)利用版圖在波導區(qū)形成雙層掩膜，并利用版圖先后制作出光斑轉換器和波導器件；e)采用低濃度氫氧化四甲基銨＜5wt.％+少量過硫酸銨腐蝕出光纖定位槽；以及采用濃度較高氫氧化四甲基銨＞20wt.％腐蝕出光斑轉換器和光波導器件；f)利用高精度的步進電機制作光斑轉換器，所得到的光斑轉換器為水平和垂直楔型漸變的形狀，并且楔變長度較長。
2.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中所述的斜線x1與SOI基片所標定的{110}晶向x3的夾角由光入射的布儒斯特角決定。
3.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，對波導區(qū)進行端面拋光時要保持端面的傾斜度，另外，端面的氧化層可以掩蔽住各向異性腐蝕溶液對端面的侵蝕。
4.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，光纖定位槽區(qū)是SOI背面向上健合，而波導區(qū)是SOI正面向上健合。
5.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，光纖定位槽區(qū)和波導區(qū)對接的端面保持平行，并且平行與x1方向。
6.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，健合時，光纖定位槽區(qū)和波導區(qū)有一間隙，為制作提供容差。
7.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，光纖定位槽區(qū)的掩膜為二氧化硅；波導區(qū)第一層掩膜為二氧化硅，第二層掩膜為金屬鈦或鉻金。
8.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中濃度較低的腐蝕溶液為3wt.％氫氧化四甲基銨+0.3wt.％過硫酸銨濃度。
9.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，濃度較高氫氧化四甲基銨為25wt.％.
10.根據權利要求1光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，其特征在于，其中，光斑轉換器長度大于1000μm。
全文摘要
一種光纖定位槽、光斑轉換器和光波導器件的一體化制作方法，包括如下步驟選用雙面拋光的SOI基片，在SOI基片上沿斜線x1方向劃片，將其分割成三部分；對其中的波導區(qū)進行端面拋光和氧化處理，將這三部分健合在同一硅片上；利用版圖通過一次光刻將光纖定位槽、光斑轉換器、和波導器件的圖形同時形成在制作步驟一中加工好的襯底上；利用版圖在波導區(qū)形成雙層掩膜；采用低濃度氫氧化四甲基銨和少量過硫酸銨腐蝕出光纖定位槽；以及采用濃度較高氫氧化四甲基銨腐蝕出光斑轉換器和光波導器件；利用高精度的步進電機制作光斑轉換器，所得到的光斑轉換器為水平和垂直楔型漸變的形狀，并且楔變長度較長。
文檔編號G02B6/42GK1690747SQ20041003503
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月20日 優(yōu)先權日2004年4月20日
發(fā)明者楊笛, 余金中, 陳少武 申請人:中國科學院半導體研究所