專利名稱：具有光柵結(jié)構(gòu)的平面光波導(dǎo)裝置的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有光柵結(jié)構(gòu)的平面光波導(dǎo)裝置的制造方法。
技術(shù)背景
近年來，因?yàn)楣饫w通信系統(tǒng)的進(jìn)步，尤其是因?yàn)閾诫s鉺的光纖放大器(EDFA)和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的發(fā)明，通過光線通信網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息量已快速增加。為了滿足增加的數(shù)據(jù)容量的需要，正在對其中頻率效率高的調(diào)制方法進(jìn)行增加待復(fù)用的波長數(shù)目的研究和開發(fā)。在DWDM系統(tǒng)中，需要具有更高級(jí)功能的光學(xué)組件，例如色散補(bǔ)償器，其比常規(guī)技術(shù)中使用的分散補(bǔ)償光纖模塊更精確地補(bǔ)償每個(gè)信道的波長色散和色散斜率。此外，也正在對可變色散補(bǔ)償器和偏振模式色散補(bǔ)償器進(jìn)行研究和開發(fā)，所述可變色散補(bǔ)償器能夠滿足光傳輸線的色散特性的重路由或暫時(shí)和周期性的變化，所述偏振模式色散補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償偏振模式色散。
另一方面，隨著信息通信系統(tǒng)的尺寸和所安裝的信息通信系統(tǒng)數(shù)目的快速增加， 由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或高端路由器所消耗的大量功率從經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境影響兩個(gè)方面而言都成問題。為此，需要用于降低功率和環(huán)境影響的綠色I(xiàn)CT(信息和通信技術(shù))。如果各種傳輸設(shè)備如路由器可以制得更小，則電信運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心或中心局中的設(shè)備容置效率將得到改善。結(jié)果，空間使用效率得到改善。此外，能夠大幅降低由數(shù)據(jù)中心或中心局所消耗的功率，這有助于節(jié)能。因此，還需要用于各種光學(xué)傳輸器件的光學(xué)組件的小型化和功率減小。
作為用于制造小型高功能的光學(xué)組件的技術(shù)，通過使用CMOS制造工藝來制造光波導(dǎo)裝置的硅光子學(xué)技術(shù)已變成焦點(diǎn)，并且正在對其進(jìn)行研究和開發(fā)。通過利用高折射率材料如硅(Si)或氮化硅(SiN)形成光學(xué)波導(dǎo)，使得利用已知的多種二氧化硅(SiO2)基玻璃作為芯線和覆層的主要構(gòu)成材料的常規(guī)光波導(dǎo)裝置的小型化變得可能。此外，由于使用通過將雜質(zhì)摻雜劑摻雜到Si中獲得的半導(dǎo)體材料，所以可以通過從外部施加電壓來調(diào)節(jié)折射率。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)具有可變光學(xué)特性的器件。而且，由于其是適于批量生產(chǎn)的制造工藝，所以預(yù)計(jì)光學(xué)組件的價(jià)格在未來將下降。
作為具有布拉格光柵圖案的已知平面光波導(dǎo)裝置，圖47所示的均勻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)是已知的，其中設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)200側(cè)壁上的凸201和凹202的節(jié)距Pe是恒定的。而且， 如圖48所示，線性調(diào)頻(chirped)節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)是已知的，其中設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)300側(cè)壁上的凸301和凹302如Pt/ > PGJ > PGk > Pg1 > PGm > PGn那樣變化是已知的。
專利文獻(xiàn)1公開了一種波長色散補(bǔ)償器件，其中在光學(xué)波導(dǎo)如形成在基板上的光纖或波導(dǎo)(平面光學(xué)波導(dǎo))中形成具有一個(gè)一定周期的布拉格光柵，并且在光學(xué)波導(dǎo)中形成采樣結(jié)構(gòu)以覆蓋布拉格光柵，并且其在多個(gè)波長信道內(nèi)執(zhí)行波長色散補(bǔ)償。采樣結(jié)構(gòu)通過具有比布拉格光柵周期長的一個(gè)一定周期的相位采樣圖案來形成。相位采樣的每個(gè)周期在沿光學(xué)波導(dǎo)光學(xué)軸的方向上被劃分成多個(gè)空間區(qū)域，并且布拉格光柵的相位在相互接觸的相鄰空間區(qū)域的邊界上不連續(xù)地變化。如專利文獻(xiàn)1的圖IA至ID所示，在一個(gè)空間區(qū)域中的相位不存在不連續(xù)變化。
此外，非專利文獻(xiàn)1是由專利文獻(xiàn)1的發(fā)明人撰寫的科技論文，其公開了專利文獻(xiàn) 1補(bǔ)充的技術(shù)信息。首先，在中心波長處的單個(gè)信道的布拉格光柵圖案是利用專利文獻(xiàn)1的知識(shí)設(shè)計(jì)的。光柵圖案通過使用逆散射方法得自期望反射和波長色散的譜特性。然而，在光纖布拉格光柵中，在折射率可被改變以形成光柵圖案的范圍方面存在局限性。為此，增加執(zhí)行譜特性的逆向傅立葉變換并將其切趾以免超過限度的操作。因此，在所得圖案中的布拉格光柵的節(jié)距隨位置連續(xù)變換。然后，通過相位采樣來設(shè)計(jì)多個(gè)信道的布拉格光柵圖案。 在光纖布拉格光柵中，由于對折射率的變換范圍存在限制，所以相位采樣是有效的。
專利文獻(xiàn)2公開了一種通過解決逆散射問題來設(shè)計(jì)和制造平面光波導(dǎo)裝置以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜光學(xué)特性的器件如色散補(bǔ)償器的技術(shù)。
在CMOS器件制造技術(shù)的每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的光刻工藝的分辨率不一定只通過使曝光設(shè)備的光源的光波長更短來決定，而是還可以通過引入分辨率增強(qiáng)技術(shù)(RET)如相移掩模(PSM)來提高。在400nm或更高的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，使用發(fā)射波長為365nm的i線光束的光源。在250nm、180nm和130nm的每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，使用波長為248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器。 目前，引入了波長為193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器，并且已開發(fā)浸沒曝光技術(shù)。因此，這些發(fā)展使得能夠?qū)嶋H使用90nm、65nm和45nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
相移方法在常規(guī)技術(shù)中已知為提高其中使用掃描器(步進(jìn)器)的還原投影曝光法中的分辨率極限的方法。根據(jù)非專利文獻(xiàn)2，相移方法中的分辨率極限相比使用通常透射掩模的曝光方法提高約2倍。
迄今為止，已經(jīng)利用硅光子學(xué)技術(shù)研究了作為光纖通信系統(tǒng)光學(xué)組件的調(diào)制器或光發(fā)射/接收元件以及各種光學(xué)無源器件如光子晶體波導(dǎo)、硅線波導(dǎo)和AWG。盡管利用硅光子學(xué)收發(fā)模塊的有源纜線模塊已經(jīng)商業(yè)化，但是硅光子學(xué)技術(shù)仍然處于其初期。到目前為止，已經(jīng)利用使用電子束(EB)設(shè)備的直接寫入過程進(jìn)行了大量研究。因此，關(guān)于利用光掩模的光刻工藝的認(rèn)識(shí)尚未充分累積。在制造具有約0.3%的相對折射率差(通常稱為Δ) 的早期基于二氧化硅玻璃的平面光學(xué)波導(dǎo)時(shí)，因?yàn)楣鈱W(xué)波導(dǎo)的芯線寬度大至7 μ m，所以能夠使用一對一光掩模。與此相比，在使用硅光子學(xué)技術(shù)制造的高相對折射率差光學(xué)波導(dǎo)時(shí)， 用于信號(hào)光的有效折射率增加。因此，單模光學(xué)波導(dǎo)的芯線尺寸減至其幾分之一或至幾十分之一，并且光子晶體波導(dǎo)或光柵光學(xué)波導(dǎo)的周期性結(jié)構(gòu)的特定距離也變得非常小。為此， 需要更精細(xì)的工藝技術(shù)。
另一方面，在光波導(dǎo)裝置中，要求足夠的厚度來實(shí)現(xiàn)光學(xué)波導(dǎo)的芯線厚度或形成包圍結(jié)構(gòu)，例如覆層，這與集成電路器件如DRAM和CPU的LSI不同。為此，在形成包圍結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)不一定能應(yīng)用最新的精細(xì)工藝而需要使用舊的技術(shù)節(jié)點(diǎn)如厚膜抗蝕劑應(yīng)用的情形。而且，在比更完善的IC如DRAM、CPU等具有更小體積要求的用于光纖通信系統(tǒng)的光學(xué)組件情況下，使用用于批量生產(chǎn)的工業(yè)12英寸晶片生產(chǎn)線工藝不一定導(dǎo)致成本降低。相反，為了降低成本，在許多情況下使用6英寸晶片或8英寸晶片的舊工藝有助于制造合適數(shù)目的光學(xué)組件。例如，利用130nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造的用于光學(xué)通信系統(tǒng)的硅光子學(xué)光學(xué)波導(dǎo)在非專利文獻(xiàn)3中公開。130nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)是如下工藝使用例如利用248nm波長的掃描器 (步進(jìn)器)，并且使用相移掩模來提高分辨率。
引用文獻(xiàn)列表
[專利文獻(xiàn)]
[PTL 1]美國專利 6，707，967
[PTL 2]日本未審查專利申請，首次公開號(hào)2004-077665
[非專利文獻(xiàn)]
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[NPL 3] Τ. Pinguet, V. Sadagopan, Α. Mekis, B. Analui, D. Kucharski , S. Gloeckner," A 1550nm,IOGbps optical modulator with integrateddriver in 130nm CMOS" ，20074th IEEE International Conference onGroup IV Photonics， (2007 年 9 月 19-21 日)發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
在已知的均勻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)或線性調(diào)頻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)中，不可能提供高的功能性-例如補(bǔ)償波長色散和同時(shí)補(bǔ)償多個(gè)信道的色散斜率的光學(xué)色散補(bǔ)償特性-作為平面光波導(dǎo)裝置的光學(xué)特性。而且，在利用硅光子學(xué)技術(shù)制造器件時(shí)，在尺寸逐漸變化(例如對于線性調(diào)頻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)而言)的情況下不容易控制每個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸的加工精確度。因此，需要其工藝控制更為容易的結(jié)構(gòu)。
在基于專利文獻(xiàn)1或非專利文獻(xiàn)1中公開的相位采樣圖案的光柵結(jié)構(gòu)中，多信道色散補(bǔ)償器也可以在其中有效折射率的幅度相對小的光學(xué)波導(dǎo)例如光纖布拉格光柵(FBG) 中實(shí)現(xiàn)。然而，通過根據(jù)預(yù)定規(guī)則沿光學(xué)波導(dǎo)的光學(xué)軸將具有高折射率的部分排成陣列，光學(xué)波導(dǎo)隨功能性增加而同等程度增加。因此，這對于通過減小高功能化器件的長度來使高功能化器件更小的目的而言是不合適的。
為了實(shí)現(xiàn)具有高功能性的光學(xué)波導(dǎo)如色散補(bǔ)償器，合適的是基于利用專利文獻(xiàn)2 中公開的逆散射方法來改變光學(xué)波導(dǎo)的芯線寬度來設(shè)計(jì)光柵光學(xué)波導(dǎo)和基于所述設(shè)計(jì)通過利用硅光子學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)平面光波導(dǎo)裝置。然而，在專利文獻(xiàn)2中，當(dāng)芯線的寬度變化非常小時(shí)，認(rèn)為存在需要使用X光光刻的特殊工藝如LIGA工藝的可能性。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種平面光波導(dǎo)裝置的制造方法，所述平面光波導(dǎo)裝置能夠通過減小長度且同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功能性來制得更小，并且具有其中在制造過程中可以容易地控制加工精確度的光柵結(jié)構(gòu)。
問題的解決方案
為了解決上述問題和實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案。即，本發(fā)明的一個(gè)方面是一種制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，所述平面光波導(dǎo)裝置包括芯線，其頂表面設(shè)置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構(gòu)成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個(gè)側(cè)面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構(gòu)成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側(cè)面部分的兩側(cè)的第二高折射率材料層形成步驟。
此外，本發(fā)明的另一方面是一種制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，所述平面光波導(dǎo)裝置包括芯線，其底面設(shè)置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個(gè)側(cè)面部分形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構(gòu)成所述芯線的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側(cè)面部分的兩側(cè)并覆蓋所述槽部填充體的頂表面的高折射率材料層形成步驟。
可以布置為使得所述槽部包括沿所述芯線的縱向交替布置的多個(gè)凸部和凹部以形成光柵結(jié)構(gòu)，其中構(gòu)成所述芯線的材料的形狀是凸形并且所述槽部填充體的橫向?qū)挾仍诟魍共刻幷?，并且?gòu)成所述芯線的材料的形狀是凹形并且所述槽部填充體的橫向?qū)挾仍诟靼疾刻帉挕?br> 可以布置為使得所述槽部填充體在所述凸部處的橫向?qū)挾群退霾鄄刻畛潴w在所述凹部處的橫向?qū)挾仁亲兓摹?br> 可以布置為使得節(jié)距是變化的并且為非線性調(diào)頻的，所述節(jié)距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
可以布置為使得在整個(gè)所述光柵結(jié)構(gòu)上的每個(gè)所述節(jié)距(Pe)滿足(Ρ<ΓΡ)/ΔΡ = N，其中P是所述節(jié)距的預(yù)定參考值，Δ P為P除以M，M是大于1的整數(shù)，并且N是整數(shù)。
可以布置為使得對于所述光柵結(jié)構(gòu)的大部分節(jié)距的所述N為+1、_1或0。
可以布置為使得所述凸部的所述槽部填充體的橫向?qū)挾?、所述凹部的所述槽部填充體的橫向?qū)挾取⒁约肮?jié)距設(shè)定為通過解決預(yù)定光學(xué)特性輸入的所述逆散射問題所獲得的值，所述節(jié)距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
可以布置為使得所述逆散射問題利用hWiarov-Shabat方程來解決。
可以布置為使得所述槽部填充體形成步驟還包括在所述低折射率材料層上形成光刻膠層的光刻膠層形成步驟；利用第一光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，所述第一光掩模是相移光掩模并且在與所述凸部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾扰c所述凸部的所述槽部填充體的相應(yīng)寬度基本上相等，并且在與所述凹部對應(yīng)的位置處的橫向?qū)挾葘捰谒霭疾康乃霾鄄刻畛潴w的相應(yīng)橫向?qū)挾?，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；利用第二光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在與所述凸部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾葘捰谒鐾共康乃霾鄄刻畛潴w的相應(yīng)橫向?qū)挾?，并且在與所述凹部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾扰c所述凹部的所述槽部填充體的相應(yīng)橫向?qū)挾然旧舷嗟龋皇顾龉饪棠z層顯影的顯影步驟；和利用得自所述顯影步驟的所述光刻膠圖案來蝕刻所述低折射率材料層以形成所述槽部填充體的蝕刻步驟。
本發(fā)明的有益效果
根據(jù)平面光波導(dǎo)裝置的上述制造方法，可以通過在芯線的上部或下部中形成槽來實(shí)現(xiàn)偏振不相關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此外，可以通過在形成槽部填充體之后填充兩側(cè)的步驟來容易和精確地形成槽。
與其中節(jié)距逐漸變化的已知的線性調(diào)頻的光柵相比，可以減小長度用于微型化同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功能性，并且在制造過程中可以容易地控制加工精確性。
由于通過利用hlcharov-Shabat方程解決逆散射問題來設(shè)計(jì)光柵光學(xué)波導(dǎo)，所以可以將具有復(fù)雜功能的光學(xué)特性的平面光波導(dǎo)裝置例如對多個(gè)DWDM信道上的光纖傳輸線的群延遲色散和色散斜率進(jìn)行同時(shí)補(bǔ)償?shù)纳⒀a(bǔ)償器制得較小且具有短的波導(dǎo)長度。
由于平面光波導(dǎo)裝置可以通過其中使用CMOS制造工藝的硅光子學(xué)技術(shù)來制造， 所以能夠批量生產(chǎn)。結(jié)果，器件的價(jià)格可以降低。此外，器件可以通過采用高相對折射率差的光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而制得較小。
由于已經(jīng)通過利用hlcharov-Shabat方程解決了逆散射問題來設(shè)計(jì)光柵光學(xué)波導(dǎo)，所以在光柵光學(xué)波導(dǎo)中的節(jié)距采用多個(gè)一定的離散值，并且光學(xué)波導(dǎo)的芯線寬度和槽結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾炔痪鶆?。由于光柵?jié)距采用多個(gè)一定的離散值，所以與線性調(diào)頻類型不同， 過程控制變得更容易。
在形成光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，采用利用相移光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，在與所述凸部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾妊由觳捰谒鐾共康南鄳?yīng)芯線寬度的設(shè)計(jì)值并使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；和利用二元型光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，并且在與所述凸部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾扰c所述凸部的相應(yīng)芯線寬度的設(shè)計(jì)值基本上相等。因此，即使使用利用波長為 MSnm的光的舊式曝光設(shè)備，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)制造出具有復(fù)雜形狀的光柵光學(xué)波導(dǎo)。


[圖 1A]
圖IA是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的平面光波導(dǎo)裝置的芯線部的部分透視圖。
[圖 1B]
圖IB是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的芯線部的部分頂視圖。
[圖 1C]
圖IC是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的平面光波導(dǎo)裝置的截面圖。
[圖 2]
圖2是用于解釋第一實(shí)施方案中的Win和W。ut的芯線部的部分頂視圖。
[圖 3]
圖3是示出其中平面光波導(dǎo)裝置和光學(xué)傳輸線相互連接的形式的一個(gè)實(shí)例的說明視圖。
[圖 4A]
圖4A是示出第一實(shí)施方案中Iieff相對于Win變化的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 4B]
圖4B是示出第一實(shí)施方案中W。ut相對于Win變化的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 5]
圖5是示出第一實(shí)施方案中Win和W。ut相對于Iirff變化的圖。
[圖 6]
圖6是示出反射譜的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 7]
圖7是以放大的方式示出圖6的一部分的圖。
[圖 8]
圖8是示出群延遲譜的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 9]
圖9是以放大的方式示出圖8的一部分的圖。
[圖 10]
圖10是示出電位分布的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 11]
圖11是以放大的方式示出圖10的一部分的圖。
[圖 12]
圖12是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 13]
圖13是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 14A]
圖14A是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 14B]
圖14B是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 15]
圖15是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 16]
圖16是示出第一實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 17]
圖17是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的鉻圖案的一部分的平面圖。
[圖 18]
圖18是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的π相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 19]
圖19是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的零相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 20]
圖20是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的構(gòu)造的一部分的平面圖。
[圖 21]
圖21是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的二元型光掩模的反圖案的一部分的平面圖。
[圖 22]
圖22是示出用于側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的光刻膠圖案的一部分的平面圖。
[圖 23]
圖23是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的鉻圖案的一部分的平面圖。
[圖 24]
圖M是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的π相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 25]
圖25是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的零相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 26]
圖沈是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的構(gòu)造的一部分的平面圖。
[圖 27]
圖27Α是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的二元型光掩模的反圖案的一部分的平面圖。
[圖 27Β]
圖27Β是示出芯線和由用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關(guān)系的平面圖。
[圖 27C]
圖27C是示出芯線和由根據(jù)第一修改實(shí)施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關(guān)系的平面圖。
[圖 27D]
圖27D是示出芯線和由根據(jù)第一修改實(shí)施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關(guān)系的平面圖。
[圖 28]
圖28是示出用于上部或下部光柵結(jié)構(gòu)的光刻膠圖案的一部分的平面圖。
[圖 29]
圖四示出第一對比例中用于上部光柵結(jié)構(gòu)的二元型光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖30Α]
圖30Α是示出第二和第三對比例中用于上部光柵結(jié)構(gòu)的相移光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖30Β]
圖30Β是示出第三對比例中用于上部光柵結(jié)構(gòu)的二元型光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖31]
圖31是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖32]
圖32是示出第二實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 33]
圖33是示出第二實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 34]
圖34是示出第二實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 35]
圖35是示出第二實(shí)施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖36]
圖36是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的平面光波導(dǎo)裝置的截面圖。
[圖 37A]
圖37A是示出第三實(shí)施方案中Iieff相對于Win變化的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 37B]
圖37B是示出第三實(shí)施方案中W。ut的變化相對于Win變化的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖38]
圖38是示出第三實(shí)施方案中Win和W。ut相對于Iieff變化的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖39]
圖39是示出第三實(shí)施方案中有效折射率分布的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 40]
圖40是以放大方式示出圖39的一部分的圖。
[圖 41]
圖41是示出第三實(shí)施方案中光柵節(jié)距分布的一個(gè)實(shí)例的圖。
[圖 42]
圖42是以放大方式示出圖41的一部分的圖。
[圖 43]
圖43是通過從上側(cè)對第二實(shí)施例中形成的槽部填充體的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖 44]
圖44是其中放大圖43的一部分的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖45]
圖45是通過從斜上方對第二實(shí)施例中形成的側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖46]
圖46是通過從上側(cè)對第二實(shí)施例中形成的側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖47]
圖47是示出已知的單節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的頂視圖。
[圖48]
圖48是示出已知的線性調(diào)頻光柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的頂視圖。
具體實(shí)施方式
以下，將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。下文舉例說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在槽結(jié)構(gòu)或光學(xué)波導(dǎo)的側(cè)壁上具有光柵結(jié)構(gòu)(其配置為包括凹和凸)的光波導(dǎo)裝置及其制造方法。此外，本發(fā)明也可以相同的方式應(yīng)用于在槽結(jié)構(gòu)或光學(xué)波導(dǎo)的側(cè)壁上沒有光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)裝置及其制造方法。
而且，在本發(fā)明中，可以通過在芯線的上部或下部形成槽，用低折射率材料如覆層來填充槽，以及恰當(dāng)設(shè)定槽的寬度和厚度來實(shí)現(xiàn)偏振不相關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
在已知的技術(shù)中，已經(jīng)報(bào)道了在包圍芯線的覆層中提供應(yīng)力減少結(jié)構(gòu)或應(yīng)力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的技術(shù)或通過研究減少整個(gè)覆層的膜應(yīng)力的方法來減少偏振相關(guān)性的技術(shù)。與這種技術(shù)相比，通過在芯線的上部或下部中形成槽或脊以改變芯線形狀自身來控制偏振相關(guān)性的技術(shù)較優(yōu)，原因是根據(jù)光柵結(jié)構(gòu)的合適設(shè)計(jì)或光學(xué)波導(dǎo)的局部結(jié)構(gòu)變化如彎曲的波導(dǎo)變得可能。此外，在將通過使用高折射率材料如芯線在芯線上部或下部中形成脊且恰當(dāng)設(shè)定脊的寬度和厚度的情況與本說明書中所述的在芯線上部或下部中形成槽的情況相比較時(shí)，后一情況(其中在靠近中部的區(qū)域中進(jìn)行折射率的調(diào)節(jié)，在所述區(qū)域中穿過光學(xué)波導(dǎo)傳播的傳播光的強(qiáng)度分布更強(qiáng))在折射率的可控性方面優(yōu)異并且容易設(shè)計(jì)器件。
此外，也可以考慮通過直接處理高折射率材料層形成槽，如在用于形成芯線的高折射率材料層上形成具有與槽寬度對應(yīng)的開口的抗蝕劑層并通過光刻和蝕刻來處理高折射率材料層的情形。然而，存在如下問題如果光學(xué)波導(dǎo)的尺寸小，則通過蝕刻挖掘形成的槽也小。此外，當(dāng)在沒有觀察到切平面的情況下以非破壞方式進(jìn)行觀察時(shí)，存在難以考察槽寬度或槽深度的問題。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的制造方法包括(A)形成第一高折射率層 (形成芯線的下部)的第一高折射率層形成步驟；(B)在第一高折射率層上形成由低折射率材料形成的低折射率層的低折射率層形成步驟；(C)通過用光刻和蝕刻移除低折射率層的兩側(cè)部分來形成槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和(D)形成第二高折射率層(其形成芯線的上部)的第二高折射率層形成步驟，從而填充兩個(gè)被移除的側(cè)面部分。因此，通過觀察步驟(C)中低折射率材料層上的槽部填充體來觀察信道尺寸變得更容易。
<平面光波導(dǎo)裝置的第一實(shí)施方案>
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的平面光波導(dǎo)裝置示意性地示于圖IA至IC中。圖IA是示出光學(xué)波導(dǎo)的芯線10的一部分的透視圖，圖IB是示出芯線10的相同部分的頂視圖，圖 IC是示出平面光波導(dǎo)裝置的截面圖。此外，圖16中示出了平面光學(xué)波導(dǎo)的透視圖。同時(shí)， 在圖IC中，附圖標(biāo)記12和13用于表示芯線10的側(cè)壁和槽結(jié)構(gòu)，而不區(qū)分圖IA和IB的凹 (凹部)12a和13a以及凸(凸部)12b和13b。
在該平面光波導(dǎo)裝置中，光學(xué)波導(dǎo)形成在基板15上。光學(xué)波導(dǎo)具有在基板15上形成的下覆層16、在下覆層16上形成的芯線10、以及在芯線10和下覆層16上形成的上覆層17。
此外，為了解決光學(xué)特性的偏振相關(guān)性問題，在光學(xué)波導(dǎo)的芯線的側(cè)壁上設(shè)置光柵結(jié)構(gòu)12，并且在芯線的上部上設(shè)置槽光柵結(jié)構(gòu)13。芯線10的底表面14是平的。
如圖2所示，側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)12由在芯線10的兩個(gè)側(cè)壁上形成的凹1 和凸12b 形成。芯線10的芯線寬度W。ut周期性變化。芯線寬度W。ut是指芯線10在與光學(xué)波導(dǎo)的縱向垂直的方向(即信號(hào)光的傳導(dǎo)方向并且與基板平行)上的寬度。芯線寬度在凹12a中窄并且芯線寬度在凸12b中寬。
在光學(xué)波導(dǎo)縱向(圖IB中的左右方向)上的凹12a的持續(xù)距離稱為凹的縱向長度。此外，在光學(xué)波導(dǎo)縱向上的凸12b的持續(xù)距離稱為凸的縱向長度。通過增加彼此相鄰的凸部和凹部的縱向長度獲得的結(jié)果是該位置的光柵節(jié)距(圖2中的Pe)。
在芯線10的頂表面11上設(shè)置槽光柵結(jié)構(gòu)13。
槽光柵結(jié)構(gòu)13具有在與側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)12的凸12b對應(yīng)的位置處形成的凸13b。 凸1 是芯線10的一部分并且朝槽結(jié)構(gòu)13的內(nèi)部突出。在形成凸13b的位置處，槽結(jié)構(gòu) 13的橫向?qū)挾日?。此外，槽光柵結(jié)構(gòu)13具有在與側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)12凹1 對應(yīng)的位置處形成的凹13a。凹13a是芯線10的一部分，并且具有相對于凸13b的凹陷形狀。在形成凹13a 的位置處，槽結(jié)構(gòu)13的橫向?qū)挾葘?。即，存在如下相反關(guān)系凸1 中的槽結(jié)構(gòu)13的橫向?qū)挾萕in窄而凹13a中的槽結(jié)構(gòu)13的橫向?qū)挾萕in寬。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的平面光波導(dǎo)裝置的光柵節(jié)距具有由于已解決逆散射問題 (其將在下文詳述)所獲得的一個(gè)離散節(jié)距值。即，根據(jù)本發(fā)明的平面光波導(dǎo)裝置與已知的均勻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)、線性調(diào)頻節(jié)距光柵結(jié)構(gòu)或采樣光柵結(jié)構(gòu)不同。
圖IB示出光柵節(jié)距根據(jù)在縱向上光學(xué)波導(dǎo)的位置而具有不同的值如P、P+ Δ P和 Ρ-ΔΡ。此外，圖IB示出槽結(jié)構(gòu)13的芯線寬度W。ut和橫向?qū)挾萕in傾向于從左向右增加的部分。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)波導(dǎo)也包括其中槽結(jié)構(gòu)13的芯線寬度W。ut和橫向?qū)挾萕in傾向于從左向右減小的部分(未在圖中示出)，其將在下文描述。
因此，由于槽結(jié)構(gòu)13的光柵節(jié)距Pe、芯線寬度W。ut和橫向?qū)挾萕in基于解決逆散射問題的結(jié)果而以復(fù)雜的方式變化，所以可以為光學(xué)波導(dǎo)提供期望的功能性。
(器件用途的實(shí)施例)
圖3示出平面光波導(dǎo)裝置101與光傳輸線103和105連接的形式100的一個(gè)實(shí)例。 由于器件101是具有光柵結(jié)構(gòu)的反射型器件，所以起始邊緣既用作光信號(hào)的入射邊緣又用作發(fā)射邊緣。如圖3所示，輸入/輸出光纖通常與循環(huán)器102連接并通過其使用。入射信號(hào)光通過其傳播的輸入光纖103、連接平面光波導(dǎo)裝置101和光學(xué)循環(huán)器102的連接光纖 104、以及出射信號(hào)光通過其傳播的輸出光纖105與循環(huán)器102連接。
此外，優(yōu)選在平面光波導(dǎo)裝置101和連接光纖104相互光學(xué)連接的位置處添加一般稱為模-場轉(zhuǎn)換器或光斑尺寸轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出轉(zhuǎn)換部。這是為了減少連接光纖104 和器件101之間的連接損失。
(器件的制造方法)
在本發(fā)明中，為了獲得其中實(shí)現(xiàn)期望光學(xué)特性的具有光柵結(jié)構(gòu)的平面光波導(dǎo)裝置，首先計(jì)算光學(xué)波導(dǎo)的光傳播方向的電位分布。這被轉(zhuǎn)換成光學(xué)波導(dǎo)的等效折射率分布， 并且被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成光學(xué)波導(dǎo)的尺寸。在計(jì)算電位分布時(shí)，其中引入變量作為在光學(xué)波導(dǎo)正向或反向上傳播的電波幅度的波方程得到方程，例如具有得自光學(xué)波導(dǎo)的等效折射率的對數(shù)的微分的hWiarov-Shabat方程。該方程作為從光柵光學(xué)波導(dǎo)的復(fù)雜反射譜(其為反射的強(qiáng)度和相位的譜)來從數(shù)值上推導(dǎo)電位函數(shù)的逆散射問題來求解。因此，光學(xué)波導(dǎo)可以通過估算用于實(shí)現(xiàn)期望的反射譜的電位分布來設(shè)計(jì)。
通過使用上述方法，能夠設(shè)計(jì)和制造具有利用已知的均勻節(jié)距光柵器件或線性調(diào)頻節(jié)距光柵器件難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜光學(xué)特性的布拉格光柵器件。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)具有期望的光學(xué)特性的器件如光學(xué)色散補(bǔ)償器，其同時(shí)補(bǔ)償共同用于DWDM光纖通信系統(tǒng)中的40個(gè)信道中的傳輸線的光纖的波長色散和色散斜率。
(電位分布的設(shè)計(jì)方法)
下面描述利用源自期望的復(fù)雜反射譜的逆散射問題來設(shè)計(jì)電位分布的方法。
應(yīng)當(dāng)注意，在以下將要描述的設(shè)計(jì)程序中使用的表述中，光柵光學(xué)波導(dǎo)的縱向，即光傳播方向設(shè)定為ζ軸。圖IB中的左右方向是ζ軸方向。假定光柵光波導(dǎo)裝置的光柵區(qū)域的起始點(diǎn)為ζ = 0和光柵光波導(dǎo)裝置的光柵區(qū)域的終點(diǎn)為最大ζ值坐標(biāo)，其中最大ζ值為光柵光學(xué)波導(dǎo)部分的長度。
首先，通過參考Sipe 的論文(J.E. Sipe，L. Poladian 和 C. Martijn deSterke, “ Propagation through nonuniform grating structures, " Journal ofthe Optical Society of America A, Vol. 11，Issue 4，1307-1320 頁(1994))按如下配置通過光學(xué)波導(dǎo)傳播的電磁場。
假定電磁場的時(shí)間變化是exp(-i ω t)，當(dāng)光學(xué)波導(dǎo)的光傳播方向設(shè)定為ζ軸時(shí)， 光學(xué)波導(dǎo)中的電場復(fù)幅度E(Z)和磁場復(fù)幅度H(Z)分別通過麥克斯韋方程表示為下式(1) 和(2)。[式1]
權(quán)利要求
1.一種制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，所述平面光波導(dǎo)裝置包括芯線，其頂表面設(shè)置有沿所述芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構(gòu)成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個(gè)側(cè)面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構(gòu)成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側(cè)面部分的兩側(cè)的第二高折射率材料層形成步驟。
2.一種制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，所述平面光波導(dǎo)裝置包括芯線，其底面設(shè)置有沿所述芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個(gè)側(cè)面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構(gòu)成所述芯線的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側(cè)面部分的兩側(cè)并覆蓋所述槽部填充體的頂表面的高折射率材料層形成步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述槽部包括沿所述芯線的縱向交替布置的多個(gè)凸部和凹部以形成光柵結(jié)構(gòu)，其中構(gòu)成所述芯線的材料的形狀是凸形并且所述槽部填充體的橫向?qū)挾仍诟魍共刻幷⑶覙?gòu)成所述芯線的材料的形狀是凹形并且所述槽部填充體的橫向?qū)挾仍诟靼疾刻帉挕?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述槽部填充體在所述凸部處的橫向?qū)挾群退霾鄄刻畛潴w在所述凹部處的橫向?qū)挾仁亲兓摹?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中節(jié)距是變化的并且為非線性調(diào)頻的，所述節(jié)距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中在整個(gè)所述光柵結(jié)構(gòu)上的各所述節(jié)距(Pe)滿足(Ρ<ΓΡ)/ΔΡ = N，其中P是所述節(jié)距的預(yù)定參考值，ΔΡ為P除以Μ， M是大于1的整數(shù)，并且N是整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述光柵結(jié)構(gòu)的大部分節(jié)距的所述N為+1、-1或0。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述凸部的所述槽部填充體的橫向?qū)挾取⑺霭疾康乃霾鄄刻畛潴w的橫向?qū)挾?、以及?jié)距設(shè)定為通過解決預(yù)定光 學(xué)特性輸入的逆散射問題所獲得的值，所述節(jié)距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述逆散射問題利用 Zakharov-Shabat 方程來解決。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，其中所述槽部填充體形成步驟還包括在所述低折射率材料層上形成光刻膠層的光刻膠層形成步驟； 利用第一光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，所述第一光掩模是相移光掩模并且在與所述凸部對應(yīng)的位置處所述遮蔽部的橫向?qū)挾扰c所述凸部的所述槽部填充體的相應(yīng)寬度基本上相等，并且在與所述凹部對應(yīng)的位置處的橫向?qū)挾葘捰谒霭疾康乃霾鄄刻畛潴w的相應(yīng)橫向?qū)挾?，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；利用第二光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在與所述凸部對應(yīng)的位置處的所述遮蔽部的橫向?qū)挾葘捰谒鐾共康乃霾鄄刻畛潴w的相應(yīng)橫向?qū)挾?，并且在與所述凹部的所述遮蔽部的橫向?qū)挾扰c所述凹部的所述槽部填充體的相應(yīng)橫向?qū)挾然旧舷嗟龋?使所述光刻膠層顯影的顯影步驟；和利用得自所述顯影步驟的所述光刻膠圖案來蝕刻所述低折射率材料層以形成所述槽部填充體的蝕刻步驟。
全文摘要
一種制造平面光波導(dǎo)裝置的方法，所述平面光波導(dǎo)裝置包括芯線，其頂表面設(shè)置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構(gòu)成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個(gè)側(cè)面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構(gòu)成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側(cè)面部分的兩側(cè)的第二高折射率材料層形成步驟。
文檔編號(hào)G02B6/13GK102483490SQ20098016103
公開日2012年5月30日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者五井一宏, 佐久間健, 余明斌, 盧國強(qiáng), 官寧, 小川憲介, 張惠宜, 陳永聰 申請人:新加坡科技研究局, 株式會(huì)社藤倉