專利名稱：光襯底上有一通道的光有源波導(dǎo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一光襯底上有一通道的光有源裝置。
本發(fā)明的領(lǐng)域為集成于襯底上的光學(xué)領(lǐng)域，所述領(lǐng)域尤其涉及一般可保證一燈光信號的放大、調(diào)制或轉(zhuǎn)換功能的有源裝置。這類裝置包括一有源波導(dǎo)和一控制元件，所述控制元件可調(diào)制由波導(dǎo)通道傳輸?shù)乃鲂盘柕哪骋惶卣?，所述特征一般或為振幅或相位。所述波?dǎo)通道有一芯，所述芯在襯底上實現(xiàn)，所述芯的折射率比周圍介質(zhì)的要高。
背景技術(shù)：
已有多種方法可制造有源波導(dǎo)通道芯。
第一種方法應(yīng)用了薄層技術(shù)。一般說來，襯底或為硅石或為硅，其上添增了一熱氧化物，這樣，其頂面即光襯底為二氧化硅。指數(shù)比二氧化硅的指數(shù)大的一層，通過任何一已知技術(shù)如火焰水解沉積(英文為“Flame Hydrolysis Deposition”)、配以或不配以等離子的熱蒸汽或低壓汽相化學(xué)沉積、真空蒸發(fā)、陰極濺射或離心沉積，沉積在光襯底上。
實施一放大器時，所述層通常為摻雜有稀土材料如鉺(1.55微米的信號波長)或釹(1.3微米的信號波長)的二氧化硅。若相反，要生成一調(diào)制器或轉(zhuǎn)換器，所述層通常由一具有光電性能的材料構(gòu)成，尤其當(dāng)為某些聚合物時。所述層還可有光熱性能，例如為二氧化硅時。
于是，確定芯的掩模通過光刻技術(shù)附著在沉積的所述層上。芯再通過一化學(xué)蝕刻或干蝕刻如等離子蝕刻、反應(yīng)式離子蝕刻或離子束蝕刻技術(shù)來實施。蝕刻后，取掉掩模，一般地，襯底上可沉積一覆蓋層，以把芯掩蔽起來。所述覆蓋層——其折射率低于芯的折射率——可限制周圍介質(zhì)造成的干擾，尤其是濕度造成的干擾。
因此，文獻(xiàn)GB 2 346 706提出一芯，實施所述芯的兩層是用同一掩模相繼蝕刻而成。因此，所述芯為兩重疊起來的條狀，它們在襯底平面中尺寸相同。
所述方法要求必須進(jìn)行一蝕刻工序，而所述工序難以控制空間分辨率平面和芯側(cè)面的表面狀態(tài)。所以，利用一氟化反應(yīng)氣體如CHF3摻雜鉺的二氧化硅蝕刻法可產(chǎn)生氟化鉺，這種化合物可顯著增加蝕刻表面的不平度。而芯的表面狀態(tài)和幾何形狀直接決定了有源波導(dǎo)通道傳播中的損耗。
文獻(xiàn)US 4 834 480中描述的第二種方法采用了離子交換技術(shù)。在此情況下，襯底為一玻璃，所述玻璃在相對較低的溫度下，激活離子濃度(如鈉)相當(dāng)高。襯底還裝配有一掩模，再將其浸入含有激活離子(如鉀)的溶液中。因而，當(dāng)溶液的激活離子與襯底的激活離子相互交換時，可通過增加連續(xù)折射率來實現(xiàn)所述芯。一般地，芯再由垂直于襯底面的一電場包圍掩蔽起來。
所述方法極為簡單。但采用這種方法，必須選擇一特殊襯底，它不一定具備所需的所有特征。例如，不能從硅開始實施離子交換，但所述材料在費用、用于微電子中的處理工藝、熱性能及其特征方面都占有很多優(yōu)勢。另外，離子交換會引起活動離子的大量側(cè)向擴散，這樣，空間分辨率也會受到嚴(yán)重限制。
可實施無源元件的第三種方法采用了離子注入技術(shù)。文獻(xiàn)《Channel waveguides formed in fused silica and silica on silicon bySi，P and Ge ion implantation-LEECH P W et al-IEEEProceedingsOptoelectronics，Institution of Electrical Engineers，Stevenage GB-Volume 143 n°5，pages 281-286》中提出了一種沉積在二氧化硅光襯底上的裝置。摻有鍺的一層沉積在襯底上，再施加掩模，通過已沉積層的離子注入實現(xiàn)通道。所述層產(chǎn)生可使襯底變形的機械應(yīng)力。由于層較厚而更加嚴(yán)重的變形，會損害波導(dǎo)通道的光規(guī)格，導(dǎo)致在光刻階段時出現(xiàn)困難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提出一種光有源裝置，所述裝置有適當(dāng)?shù)目臻g分辨率及良好的表面狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，所述裝置包括光襯底上的一芯及一控制元件，所述芯有一通道和至少一個與通道相連的激活層，所述通道的折射率及激活層的折射率大于襯底的折射率；實際上，所述光襯底中可以不含活動離子。
在一相應(yīng)襯底上，芯的幾何形狀只取決于通道的幾何形狀，因為激活層未被蝕刻。
最好，裝置包括至少一個沉積在激活層上的覆蓋層，所述覆蓋層的指數(shù)低于激活層及通道的指數(shù)。
根據(jù)第一實施例，通道集成于襯底中。
根據(jù)第二實施例，通道突出于襯底上。
有利地是，激活層的指數(shù)等于襯底的指數(shù)乘以一大于1.001的因數(shù)。
例如，激活層的總厚度在1至20微米之間。
根據(jù)一特別特征，通道由襯底中離子注入而形成。
另外，最好，實施離子注入的襯底的面為二氧化硅。
例如，激活層為摻有稀土材料的二氧化硅，或根據(jù)所述裝置的功能，為具有光電或光熱性能的一材料。
本發(fā)明還涉及光襯底上一有源裝置的制造方法。
根據(jù)第一變型，所述方法包括以下階段——在光襯底上實施一掩模，以確定通道圖形，——已遮掩襯底的離子注入，——取掉掩模，——把至少一激活層沉積在襯底上，所述激活層的折射率大于襯底的折射率。
根據(jù)第二變型，所述方法包括以下階段——襯底的離子注入，——在光襯底上實施一掩模，以確定通道圖形，——在至少等于注入厚度的襯底的一厚度上蝕刻。
——取掉掩模，——把至少一激活層沉積在襯底上，所述激活層的折射率大于襯底的折射率。
有利地是，所述方法在離子注入階段后，還包括一襯底退火階段。
另一方面，所述方法適用于實施以上所述裝置的不同特征。


現(xiàn)參照附圖所示實施例詳細(xì)描述本發(fā)明。
——圖1示出了有源波導(dǎo)通道芯的一截面簡圖，——圖2示出了根據(jù)第一變型的芯的制造，——圖3示出了根據(jù)第二變型的芯的制造，——圖4為有源裝置組的俯視圖。
具體實施例方式
首先，為簡化本發(fā)明的介紹，只描述有源波導(dǎo)通道芯的實現(xiàn)。
如圖1a所示，根據(jù)第一變型，襯底為硅，其上有一絕緣層，所述絕緣層或為增添的一熱氧化物，或為沉積的一二氧化硅SiO2層或另外的材料層如Si3N4、Al2O3或SiON。此處一般為與帶電活動離子玻璃相反的電或光介質(zhì)。但不可能保證這些材料中絕沒有活動離子。只能確定其活動離子濃度相當(dāng)小，如低于0.01％。
因此，襯底有一頂面或光襯底11，所述光襯底通常為二氧化硅，其厚度如為5至20微米。此處，離子注入形成的通道12集成在光襯底中，所述光襯底上又覆蓋有一激活層13。通道的折射指數(shù)自然高于二氧化硅的折射指數(shù)。例如，5微米厚的激活層為摻雜有鉺的二氧化硅，其折射指數(shù)高于光襯底的折射指數(shù)，如0.3％。所述激活層還可由若干薄層重迭而成。最好，仍可由薄層重迭成的覆蓋層14提供在激活層13上面。厚度仍為5微米的所述覆蓋層的指數(shù)小于激活層及通道的指數(shù)；此時，它為未摻雜的二氧化硅。
根據(jù)第二變型，襯底沒有與光襯底之間的絕緣層，因而它融入光襯底中。例如，它為III-V型半導(dǎo)體化合物如InP、GaAs、AlGaAs或InGaAsP。在附著激活層——它由和襯底物質(zhì)相似的摻雜的一物質(zhì)獲得——之前，通道已植入。當(dāng)然，不同光學(xué)材料如硅或鈮酸鋰都適合于光襯底。
不通道采用哪種變型，與通道12和激活層13相關(guān)連的芯都可支持一種或幾種傳播方式，所述傳播方式的性能由所用光、幾何特征確定。
如圖1b所示，當(dāng)通道的折射指數(shù)相對較小如為1.56時，展開的傳播方式GM在激活層13中大范圍擴展開。通道的寬度如為7.5微米及所述激活層的厚度的選擇可使GM傳播方式盡可能接近光纖的傳播方式。還可獲得與光纖的一耦合系數(shù)如值為90％。導(dǎo)向方式的有效指數(shù)小于激活層及通道的折射指數(shù)；而大于頂面11和覆蓋層14的折射指數(shù)。
如圖1c所示，須注意，芯還可支持另一種縮減傳播方式PM，其在激活層13內(nèi)的傳播范圍要小得多。當(dāng)然，通道的指數(shù)相對較高如為1.90。通道的寬度可極大地縮小。此處，導(dǎo)向方式的有效指數(shù)大于激活層的指數(shù)且小于通道的指數(shù)。縮減傳播方式PM的側(cè)限制很大。
采用離子注入技術(shù)，是因為它可準(zhǔn)確確定一厚度極薄如為幾百毫微米的通道。
另外，現(xiàn)在，所述技術(shù)的離子注入劑量精確度極高，通常為1％。二氧化硅光襯底的折射指數(shù)或沒有或很少變化，所以，通道指數(shù)的精確度很高。例如，分別注入1016/cm2和1017/cm2的鈦劑量，折射指數(shù)的精確度分別達(dá)到10-4和10-3。研究擴展傳播方式GM時，所述精確度尤其重要，因為通道的指數(shù)是極大影響與光纖的耦合的一個參數(shù)。
如圖2a所示，芯的第一種制造方法包括第一階段，所述第一階段即利用一傳統(tǒng)光刻法在光襯底15上實施一掩模16。所述掩模為形成離子注入時不可逾越的一道障礙的樹脂、金屬或其它任何材料?？赡埽谀？赏ㄟ^一直接寫入法獲得。
如圖2b所示，通道17通過已遮掩襯底的離子注入而形成。例如，要注入鈦，注入的劑量在1016/cm2至1018/cm2之間，能量在幾十至幾百KeV(千電子伏特)之間。
如圖2c所示，例如可通過一化學(xué)蝕刻法取掉掩模。襯底再退火，以減小在芯內(nèi)傳播的損耗。退火尤其可消除晶狀結(jié)構(gòu)的缺陷和吸收性彩心，穩(wěn)定新化合物，恢復(fù)通道的化學(xué)計量。例如，溫度在400至500攝氏度之間，大氣受到控制，或為自由空氣，而時間期限約為幾十小時。
如圖2d所示，激活層18通過任何一種已知技術(shù)沉積在襯底15上，只要其可產(chǎn)生一種弱損耗材料，所述材料的折射指數(shù)可很容易控制。最后，覆蓋層19還可沉積在激活層18之上。
可注意到，所述第一種方法的優(yōu)點在于，可確定完全為平面結(jié)構(gòu)的一有源波導(dǎo)通道，因為它沒有蝕刻階段。
如圖3a所示，波導(dǎo)通道芯的第二種制造方法的第一階段在于注入整個光襯底20。注入劑量及能量可和第一種方法中提到的值相同。
如圖3b所示，下一階段即在襯底20上實施一掩模21。所述掩模圖形和第一種方法中的相同，但可不必經(jīng)過注入階段。
如圖3c所示，通道25通過在至少等于注入厚度的光襯底的一厚度上蝕刻而形成。任何一種蝕刻技術(shù)都可以，只要這種技術(shù)能產(chǎn)生可接受的通道的幾何特征，尤其是其側(cè)面的表面狀態(tài)和剖面。
如圖3d所示，掩模被取掉，襯底再退火。激活層22及可能還有覆蓋層23可根據(jù)第一種方法沉積。
根據(jù)第二種方法，可極大減小蝕刻的缺陷，因為通道的厚度很薄。
現(xiàn)描述本發(fā)明如何實施光有源裝置。
如圖4a所示，一放大器包括第一直線形通道31，和激活層相連的所述通道構(gòu)成有源波導(dǎo)通道芯。此處，控制元件為第二內(nèi)彎通道32，所述通道有一直線形耦合段33，所述部分緊鄰第一通道31并與之平行。安裝第二通道32可傳輸一光脈沖信號。同時可利用掩模實施第一通道，所述掩模實際上確定了兩通道。
如圖4b所示，一調(diào)制器由一所謂“Mach Zehnder”干擾儀構(gòu)成。掩模現(xiàn)確定了一通道34，所述通道又分為第一35、第二通道36，所述兩通道再接合在一起，重又形成一唯一通道。第二通道36的一部分外圍繞著一對矩形電極37，圖中未示出所述電極如何連接。例如，所述電極可采用薄層技術(shù)沉積在激活層上。此處，所述層為具有光電性能的材料，即其折射指數(shù)隨其所在的電場而變化。控制元件由第二通道36和電極對37組合而形成。
如圖4c所示，一轉(zhuǎn)換器由一耦合器構(gòu)成，所述耦合器包括兩平行的第一通道38和第二通道39，所述兩通道在耦合段時相互靠近，再分離開。用同一襯底實施而成的所述兩通道覆蓋有激活層。例如，所述層為一具有光熱性能的材料，即折射指數(shù)根據(jù)溫度而變的一材料。在耦合段，在第二通道39之上，一電極40沉積在所述激活層上面，所述電極的功能就是局部加熱所述層。電極40構(gòu)成控制元件。
上述根據(jù)本發(fā)明的實施例可根據(jù)其具體特征進(jìn)行選擇。但完全列舉出根據(jù)本發(fā)明的所有實施是不可能的。尤其，所述任何階段或任何裝置都可用一等效階段或裝置來代替，而并未超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光有源裝置，所述裝置包括光襯底(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)和至少一個與通道相連的激活層(13，18，22)，所述通道的折射指數(shù)及激活層的折射指數(shù)大于襯底的折射率，其特征在于，所述光襯底(11，15，20)中的活動離子濃度小于0.01％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它包括至少一個沉積在激活層(13，18，22)上的覆蓋層(14，19，23)，所述覆蓋層的指數(shù)低于激活層及通道(12，17，25，31，35-36，38-39)的指數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述通道(12，17)集成于所述襯底(11，15)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述通道(25)突出于所述襯底(20)上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激活層(13，18，22)的指數(shù)等于襯底(11，15，20)的指數(shù)乘以一大于1.001的因數(shù)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，激活層(13，18，22)組的厚度在1至20微米之間。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述通道(12，17，25，31，35-36，38-39)由對所述襯底(11，15，20)離子注入而形成。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，實施離子注入的襯底(11，15，20)的面為二氧化硅。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激活層(13，18，22)為摻有稀土材料的二氧化硅。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激活層(13，18，22)具有光電性能。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激活層(13，18，22)具有光熱性能。
12.在光襯底上有源裝置的制造方法，包括至少一控制元件(32-33，37，40)的實施階段，其特征在于，它還包括以下階段——在所述光襯底(15)上實施一掩模(16)，以確定通道(17)圖形，——對已遮掩襯底進(jìn)行離子注入，——取掉掩模，——把至少一激活層(18)沉積在襯底上，所述激活層的折射率大于襯底的折射率。
13.在光襯底上有源裝置的制造方法，包括至少一控制元件(32-33，37，40)的實施階段，其特征在于，它還包括以下階段——襯底(20)的離子注入，——在所述襯底上實施一掩模(21)，以確定通道(25)圖形，——在至少等于注入厚度的襯底的一厚度上蝕刻?！〉粞谀?，——把至少一激活層(22)沉積在襯底上，所述激活層的折射率大于襯底的折射率。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，在離子注入階段之后，它還包括一襯底(15，20)退火階段。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，它包括在所述激活層(18，22)上沉積一覆蓋層(19，23)的階段，所述覆蓋層的指數(shù)低于激活層及通道(17，25)的指數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述激活層(18，22)的指數(shù)等于襯底(15，20)的指數(shù)乘以一大于1.001的因數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，激活層(18，22)組的厚度在1至20微米之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，實施離子注入的襯底面(15，20)為二氧化硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述激活層(18，22)的材料為摻有稀土材料的二氧化硅。
20.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述激活層(18，22)的材料具有光電性能。
21.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述激活層(18，22)的材料具有光熱性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一光有源裝置，所述裝置包括在光襯底(11，15，20)上的一光波導(dǎo)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)和至少一個與通道相連的激活層(13，18，22)，所述通道的折射指數(shù)及激活層的折射指數(shù)大于襯底的折射率。所述光襯底(11，15，20)中的活動離子濃度小于0.01％。有利地是，它還包括沉積在激活層(13，18，22)上的一覆蓋層(14，19，23)，所述覆蓋層的指數(shù)低于激活層及通道(12，17，25，31，35－36，38－39)的指數(shù)。
文檔編號G02B6/134GK1483151SQ0182140
公開日2004年3月17日 申請日期2001年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
發(fā)明者斯蒂芬·蒂瑟蘭德, 勞倫特·羅克斯, 羅克斯, 斯蒂芬 蒂瑟蘭德 申請人:離子射線服務(wù)公司