專利名稱：光波導(dǎo)內(nèi)雙折射的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)內(nèi)特別是硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射的控制。
眾所周知，雙折射是光波導(dǎo)內(nèi)的一個重大問題。雙折射的起因是由于許多不同的光源，每個光源使光以服從不同折射率的不同方式發(fā)生偏振。這將造成不同偏振的光在波導(dǎo)內(nèi)傳輸上的差異，從而導(dǎo)致一個接收隨機(jī)偏振光的設(shè)備的特性變得不可預(yù)知，特別是在傳輸損耗這一點上。有些眾所周知的雙折射源是波導(dǎo)的晶狀結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)的形狀(就其導(dǎo)光的橫截面而言)、以及波導(dǎo)路徑上任何彎曲、基底斷裂等所導(dǎo)致的壓縮和拉伸。
在絕緣體上外延硅的芯片上制造的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是已知的。例如在PCT專利說明號WO95/08787中就描述了這樣的一種設(shè)計。這種形式的波導(dǎo)提供了一種單模、低損耗(波長范圍在1.2到1.6微米時損耗一般小于0.2dB/cm)的波導(dǎo)，一般直徑約為3到5微米，可被結(jié)合入光纖，并與其它集成部件相兼容。這種形式的波導(dǎo)也可以用常規(guī)的絕緣體上外延硅的晶片很容易地制成(如上述WO95/08787中所描述)，并且制造也相對便宜。該種波導(dǎo)已經(jīng)顯示了比集成光學(xué)元件中所用某些其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(例如LiNbO3)更低的雙折射。不過，本發(fā)明的一個目標(biāo)就是進(jìn)一步減少甚至消除這種結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
本發(fā)明的一個方面提供了一種控制硅制成的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)雙折射的方法，該肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，而該方法包括在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個達(dá)到某個預(yù)定厚度的氮化硅覆蓋層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
較佳的是，該氮化硅覆蓋層可以在肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)每一側(cè)的基底側(cè)面上延伸。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種控制硅制成的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)雙折射的方法，該肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，而該方法包括在上表面和側(cè)表面上培育一層氧化物；剝?nèi)パ趸飳右月冻錾媳砻婧蛡?cè)表面；并且，在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個預(yù)定厚度的氮化硅覆蓋層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
本發(fā)明的另一個方面提供了制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法中氮化硅層的使用，通過在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上沉積預(yù)定厚度的氮化硅層，以控制雙折射。
本發(fā)明中還有一些方面提供了一種制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在硅基底上形成一個具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件；并且，在所述拉長肋狀元件上形成預(yù)定厚度的氮化硅層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接，選擇該預(yù)定厚度以控制肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
本發(fā)明的又一方面提供了一種制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在硅基底上形成一個具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件；在上表面和側(cè)表面上培育一層氧化物；剝?nèi)パ趸飳右月冻錾媳砻婧蛡?cè)表面；并且，在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個預(yù)定厚度的氮化硅層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
本發(fā)明的又一方面提供了一種硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它包括一個硅制成的具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，和一個直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接的預(yù)定厚度的氮化硅層，選擇該預(yù)定厚度以控制該硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
本發(fā)明的又一方面提供了一種包括第一和第二硅肋狀波導(dǎo)的漸逝耦合器結(jié)構(gòu)，其中每個硅肋狀波導(dǎo)包括一個硅制成的具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，和一個直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接的預(yù)定厚度的氮化硅層，選擇該預(yù)定厚度以控制該漸逝耦合器結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
已經(jīng)確定對于4微米的肋狀波導(dǎo)，其氮化硅層的最佳厚度為1000A。
為了更好地理解本發(fā)明，并顯示本發(fā)明如何發(fā)揮效用，可以參考附圖的例示，其中
圖1至3說明了肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造方法中的步驟；圖4說明了一種改進(jìn)的無雙折射結(jié)構(gòu)；圖5是一個漸逝耦合器的圖解；圖6是不同制造技術(shù)下分流比相對耦合長度的曲線圖；圖7是不同氮化硅厚度下分流比相對耦合長度的曲線圖；以及圖8是不同結(jié)構(gòu)下偏振相關(guān)損耗的坐標(biāo)圖。
按照本發(fā)明的較佳實施例，描述一種硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法。這里描述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基于一種絕緣體上外延硅的芯片。在一篇J.Morgail等人所著的題為《Reduced defect density in silicon-on-insulator structures formed byoxygen implantation in two steps》的論文(Appl.Phys.Lett.1989年54期，526頁)中，曾描述了這種芯片的形成過程。這描述了絕緣體上外延硅的晶片的制造過程。然后例如通過外延生長增大這種晶片的硅層，使之適于形成此處所述集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。圖1展示了這種絕緣體上外延硅的晶片的橫截面，其中已形成一拉長肋狀元件。該晶片或芯片包括一個硅層1，該硅層通過一個氮化硅層3與硅基底2分離。而拉長肋狀元件4通過蝕刻在硅層1中形成。
拉長肋狀元件的尺寸約為3至5微米。在一個實施例中，它的上表面5的寬度是4微米，而它的兩個側(cè)表面6中每一個的深度是1.45微米。
在隨后的處理步驟中，通過熱培育形成厚度約為4000A的氧化物層。這一層在圖2中以7指示。圖2中類似數(shù)字指示與圖1中相同的部分。
隨后進(jìn)行HF蝕刻，以清除氧化物層7，并露出拉長肋狀元件4的上表面5和側(cè)表面6。然后(圖3中8)通過低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)過程，沉積一層氮化硅。在該較佳實施例中，該層被沉積到1000A的厚度。由于在圖2所示步驟后的HF蝕刻中清除整個氧化物層7，所以該氮化硅層8將與拉長肋狀元件的上表面和側(cè)表面6直接鄰接。沉積該氮化硅層，作為整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的覆蓋層。圖4顯示了完成后的產(chǎn)品。
按照另一實施例，培育氧化物層再剝?nèi)ニ闹虚g步驟被省略了。按照該實施例，氮化硅層直接沉積在圖1所示的經(jīng)蝕刻的拉長肋狀元件結(jié)構(gòu)上。也就是說，該方法的步驟從圖1不經(jīng)圖2描述的中間步驟即傳遞到圖3。
兩種實施例所完成的結(jié)構(gòu)是一樣的，如圖4所示。也就是說，氮化硅層留在完成的結(jié)構(gòu)內(nèi)，與拉長肋狀元件4的上表面和側(cè)表面5、6直接鄰接。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這將顯著地減少該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙折射。雙折射材料對不同的光偏振顯示不同的折射率，這是光波引導(dǎo)中一個眾所周知的問題。在很難甚至無法控制所引導(dǎo)光的偏振的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，這將表現(xiàn)為嚴(yán)重的問題，特別是將導(dǎo)致顯著的損耗。已發(fā)現(xiàn)使用氮化硅層可以充分地減少或?qū)嶋H消除這里所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙折射。對于寬度為4微米的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)1000A的氮化硅厚度是最佳厚度。
可以想象，使用培育氧化硅層然后再清除之的中間步驟將會有助于減少雙折射。不過即使沒有這個中間步驟，也已經(jīng)注意到了雙折射減少的顯著改進(jìn)。
為了證明這種改進(jìn)，曾經(jīng)使用漸逝耦合器進(jìn)行過實驗。圖5展示了一個漸逝耦合器。它包括兩個具有圖3所示結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，兩者在入口和出口處隔開，而在一個被標(biāo)記為LC的中央耦合部分相互接近，但并不實際接觸。LC實際上指示了耦合部分的長度。第一和第二檢測器10、11被放置在該漸逝耦合器的輸出端，以檢測沿該漸逝耦合器中的各個波導(dǎo)輸出的光。光從該漸逝耦合器中一個波導(dǎo)的一端12輸入，通過對稱的耦合，可以預(yù)期50％的光將被檢測器10所檢測到，而50％的光將被檢測器11所檢測到。但是，任何耦合器都不可避免地要遭受某些損耗和不對稱。而重要的是盡可能確保不對稱導(dǎo)致的損耗以相同的方式來影響光的不同偏振。兩個偏振被特別地定義成互成90°，分別為橫電偏振(TE)和橫磁偏振(TM)。在下述實驗中，為了證明使用上述實施例時所發(fā)生雙折射的顯著結(jié)果，第二檢測器11處的光被以TE和TM兩種偏振進(jìn)行檢測。
該實驗方法的細(xì)節(jié)在下面給出。
實驗方法使用4微米的波導(dǎo)實現(xiàn)圖5所示類型的漸逝耦合器。在每塊芯片上都以不同的耦合長度LC制造了許多不同的耦合器。波導(dǎo)間沿耦合長度中點到中點的距離d是6微米。彎曲處的半徑是20mm。使用法布里-珀羅雙源激光器提供波長為1550nm的紅外光。該光線被引入一根光纖的輸入端12。在圖5中該光線被標(biāo)為PA。光的偏振用大量光學(xué)波片來控制。每個檢測設(shè)備10、11都備有一個透鏡，透鏡搜集輸出光線并將之聚焦到一臺功率表上，功率表帶有一個用來監(jiān)視光線的紅外攝像機(jī)。注入光線的偏振狀態(tài)(TE或TM)在每次測量前都會被調(diào)整。
在第一個實驗中，對于標(biāo)為A、D、E和G的四種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測量。這些結(jié)構(gòu)按照下列描述構(gòu)成結(jié)構(gòu)A這就是圖1的結(jié)構(gòu)，即將拉長肋狀波導(dǎo)元件蝕刻入硅中。
結(jié)構(gòu)D這是按照圖2的結(jié)構(gòu)，其中在拉長肋狀波導(dǎo)元件4上培育了一個4000A的氧化物層7。
結(jié)構(gòu)E這種結(jié)構(gòu)沒有在附圖中出現(xiàn)，它是在圖2的結(jié)構(gòu)上再沉積一個厚度為1000A的氮化硅附加層。
結(jié)構(gòu)G這是按照圖3的一種結(jié)構(gòu)，其中的氮化硅層厚度為1000A。該結(jié)構(gòu)使用本發(fā)明第一實施例中的處理步驟構(gòu)成。
圖6是一幅曲線圖，顯示在縱軸上的分流比和在橫軸上以微米計的耦合長度之間的關(guān)系。分流比SR按如下定義SR(％)＝PA’/(PA’+PB’)x100圖6清晰地表明最少偏振依賴的結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)G，其中TE和TM光線的曲線在很寬的一段耦合長度范圍內(nèi)幾乎會集在一起。
進(jìn)行第二個實驗以找出氮化物層的厚度對分流比的影響。除上面已確定的結(jié)構(gòu)G以外，實驗中還使用了下列結(jié)構(gòu)C、F和H，產(chǎn)生圖7的曲線圖結(jié)構(gòu)C結(jié)構(gòu)C按照本發(fā)明的第二種實施例制造，即在圖1的結(jié)構(gòu)上沉積一個氮化硅層。該氮化硅層厚度為1000A。
結(jié)構(gòu)F結(jié)構(gòu)F按照本發(fā)明的第一種實施例制造，但氮化硅層厚度為500A。
結(jié)構(gòu)H結(jié)構(gòu)H按照本發(fā)明的第三種實施例制造，但氮化硅層厚度為1600A。
從圖7可以看出，對于一個4微米的波導(dǎo)，約1000A的厚度是最適宜的厚度。同時還可以看出，盡管結(jié)構(gòu)G給出了最好的改進(jìn)，但是結(jié)構(gòu)C也展示了對雙折射很不錯的減少。
在第三個實驗中，對每一種結(jié)構(gòu)都作了偏振依賴損耗的測量。假設(shè)偏振的所有狀態(tài)都被審視，偏振依賴損耗(PDL)就被定義為最大和最小傳輸間的差(單位為dB)。結(jié)果如圖8所示，從中可以看出，通過1000A氮化硅的沉積，可以在PDL上獲得顯著的改進(jìn)。事實上，結(jié)構(gòu)C和結(jié)構(gòu)G所獲得的改進(jìn)是相似的。也就是說，無論使用何種制造方法，兩者都可獲得同樣改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種控制硅制成的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)雙折射的方法，該肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一個具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，其特征在于，該方法包括在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成預(yù)定厚度的氮化硅覆蓋層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氮化硅覆蓋層在肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)每一側(cè)的基底側(cè)面上延伸。
3.一種控制硅制成的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)雙折射的方法，該肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，其特征在于，該方法包括在上表面和側(cè)表面上培育一層氧化物；剝?nèi)パ趸飳右月冻錾媳砻婧蛡?cè)表面；并且在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個預(yù)定厚度的氮化硅覆蓋層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
4.在制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法中使用氮化硅層，通過在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上沉積預(yù)定厚度的氮化硅層，以控制雙折射。
5.一種制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括在硅基底上形成一個具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件；并且在所述拉長肋狀元件上形成預(yù)定厚度的氮化硅層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接，選擇該預(yù)定厚度以控制肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
6.一種制造硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括在硅基底上形成一個具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件；在上表面和側(cè)表面上培育一層氧化物；剝?nèi)パ趸飳右月冻錾媳砻婧蛡?cè)表面；并且在所述肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個預(yù)定厚度的氮化硅層，直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接。
7.一種硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，它包括一個硅制成的具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，和一個直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接的預(yù)定厚度的氮化硅層，選擇該預(yù)定厚度以控制該硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
8.如上述任何一條權(quán)利要求所述的方法或結(jié)構(gòu)，其特征在于，對于寬度為3-5微米的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，氮化硅層的預(yù)定厚度為1000A。
9.一種包括第一和第二硅肋狀波導(dǎo)的漸逝耦合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，每個硅肋狀波導(dǎo)包括一個硅制成的具有一個上表面和兩個側(cè)表面的拉長肋狀元件，和一個直接與所述上表面和側(cè)表面相鄰接的預(yù)定厚度的氮化硅層，選擇該預(yù)定厚度以控制該漸逝耦合器結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙折射。
10.如權(quán)利要求7、8或9所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，氮化硅覆蓋層在肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)每一側(cè)的基底側(cè)面上延伸。
11.如上述任何一條權(quán)利要求所述的方法或結(jié)構(gòu)，其特征在于，在絕緣體上外延硅的晶片上制造該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
描述了一種控制硅制造的肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)雙折射的方法。該種肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一個具有一個上表面(5)和兩個側(cè)表面(6)的拉長肋狀元件(4)。按照此種方法，在該肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成一個預(yù)定厚度的氮化硅覆蓋層(8)，直接與上表面(5)和側(cè)表面(6)相鄰接。選擇該覆蓋層的厚度以控制雙折射。還描述了一種含這種層(8)的硅肋狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和一種漸逝耦合器。
文檔編號G02B6/10GK1409827SQ0081713
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月15日
發(fā)明者L·柯林 申請人:博克漢姆技術(shù)股份有限公司