專利名稱：紫外光直寫制作摻鉺雜化SiO₂光波導(dǎo)放大器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 一 種光通信技術(shù)領(lǐng)域光放大器件的制 作方法，特別涉及 一 種紫外光直寫制作摻鉺雜化S i 0 2 光波導(dǎo)放大器的方法。
背景技術(shù)：
摻鉺光波導(dǎo)放大器(EDWA)，由于其內(nèi)部鉺離子Er 3+能級(jí)4113/2—4115/2受激躍遷，可以對(duì)通信波長(zhǎng)1 . 5 5 u m范圍的光信號(hào)進(jìn)行放大，并且具有緊湊的光波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，尺寸小，可集成化，易于實(shí)現(xiàn)光電混合集成，因 此得到了廣泛的關(guān)注及研究，并應(yīng)用于光通信領(lǐng)域， 具有良好的發(fā)展前景。目前摻鉺光波導(dǎo)放大器的制作是首先在S i基片上 生長(zhǎng)Si02下包層，然后再用火焰水解法(FHD)、等離子 體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，溶膠-凝膠(sol-gel )等方法生長(zhǎng)波導(dǎo)芯層并摻雜鉺，常用的芯層材料是Si、Si02、A 1 2 0 3等III和IV族物質(zhì)，其中Si02具有本征損耗低、價(jià)格低廉、與下包層完美匹配，且與石英玻璃通信光纖的兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，成為普遍應(yīng)用的摻鉺基質(zhì)材料。為了使光波模式在波導(dǎo)中很好的限制傳播，心層si02與上、下包層應(yīng)具有高折射率差，而且咼折射率差能夠?qū)崿F(xiàn)小的彎曲波導(dǎo)半徑，使波導(dǎo)器件幺±構(gòu)更加緊湊，因此要對(duì)芯層S i 02進(jìn)行摻雜，提高其折射率。 PECVD和FHD能夠通過在淀積過程中摻磷和鍺等雜質(zhì)調(diào)整薄膜折射率，但是制作工藝需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的生產(chǎn)過程。溶膠一凝膠法具有工藝簡(jiǎn)單、易用、價(jià)廉、原料純度高、所得材料均勻性好、熱處理溫度低、易于摻雜等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛地適用于各種光功能薄膜和平面波導(dǎo)制備上，鉺離子也很容易均勻而且高濃度的慘入波導(dǎo)材料中。然而傳統(tǒng)的溶膠 一 凝膠法很難獲得符合器件要求厚度且無龜裂的Si02薄膜，多次涂膜一退火制備工藝會(huì)導(dǎo)致薄膜上出現(xiàn)斑點(diǎn)、粘污等缺陷，影響波導(dǎo)的質(zhì)量，增加器件損耗?，F(xiàn)有光波導(dǎo)放大器的典型制作工藝為在芯層上經(jīng)過圖形掩膜、光刻、顯影和反應(yīng)離子刻蝕等 一 系列工藝制作，這種工藝過程復(fù)雜、設(shè)備昂貴、生產(chǎn)成本高效率低，不適合大規(guī)模的批量生產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要克服背景技術(shù)存在的不足，提供一種紫外光直寫制作摻鉺雜化Si02光波導(dǎo)放大器的方法，該方法可以 一 次性獲得滿足器件要求厚度和折射率的均勻且高濃度摻鉺Si02芯層材料，不再使用曰 卬蟲 貝的設(shè)備及繁瑣的刻蝕工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供 一 種紫外光直寫制作摻鉺雜化Si02光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 :先用熱氧化法在單晶S i襯底上生長(zhǎng)下包層步驟2 :利用有機(jī)/無機(jī)雜化的溶膠_凝膠法制備摻鉺光敏性Si02材料；步驟3 :在下包層上旋涂光敏性雜化Si02薄膜作為心層步驟4 :前烘，固化；步驟5 :然后利用紫外光通過掩模版進(jìn)行曝光，將器件圖形直接復(fù)制到芯層上；步驟6 :顯影、后烘，獲得條形摻鉺波導(dǎo)放大器。中下包層的厚度為1 0微米一 2 0微米的Si02。其中光敏性雜化Si02薄膜為光敏性Si02材料。其中有機(jī)/無機(jī)雜化摻鉺光敏性S i02材料的制備，是用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅垸作為反應(yīng)先軀體，鹽酸溶液為催化劑，混合攪拌水解，摻入四丙氧基鋯調(diào)節(jié)折射率，硝酸鉺溶液提供鉺離子，正丙醇為溶劑，摻入1 一羥基 一 環(huán)已基苯酮使得材料有光敏性，避光條件下過濾老化成膠體。中紫外光通過覆蓋在光敏性雜化Si02薄膜上的刻有波導(dǎo)圖形的掩模版進(jìn)行曝光，使掩模版透光部分下的被曝光的薄膜由于金屬鋯進(jìn)一步進(jìn)入有機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，使折射率增大；未曝光的部分折射率不變摻入光敏劑1 一羥基一環(huán)已基苯酮的光敏性Si02材料是一種負(fù)性感光材料，用正丙醇為顯影劑，薄膜未曝光的部分經(jīng)過顯影將會(huì)被去掉，被曝光的薄膜會(huì)留下，形成條形波導(dǎo)，從而制成條形摻鉺波導(dǎo)放大器,中顯影之后，在3 0 0 °C- 5 0 0 °C下后烘處理，使得材料的折射率進(jìn)一步提高，波導(dǎo)芯層和下包層折射率差更大，使光波模式更好的限制在條形波導(dǎo)中可以激活鉺離子，提高光致發(fā)光強(qiáng)度；進(jìn)步將被曝光的薄膜中殘留溶劑含量降到最低，使得器件損耗降到最低。其中波導(dǎo)芯層的折射率是通過調(diào)節(jié)四丙氧基鋯摻 雜量進(jìn)行控制，紫外曝光時(shí)間、后烘溫度及時(shí)間對(duì)折射率做進(jìn) 一 步調(diào)節(jié)；通過調(diào)節(jié)有機(jī)溶劑正丙醇的用量、旋涂速率、旋涂時(shí)間實(shí)現(xiàn)薄膜厚度可控，且-次涂布即可達(dá)到器件實(shí)用化的厚度要求通過調(diào)節(jié)硝酸鉺摻雜量，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻且不同的摻鉺濃度，以獲得最大的發(fā)光強(qiáng)度。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，材料制備工藝簡(jiǎn)單，能很方便的對(duì)波導(dǎo)芯層的厚度和折射率進(jìn)行調(diào)整，獲得摻雜均勻，且不同濃度摻鉺發(fā)光薄膜，達(dá)到波導(dǎo)放大器件的設(shè)計(jì)要求；用普通的紫外光曝光技術(shù)可以直接制作出脊形光波導(dǎo)放大器件，省去了設(shè)備、工藝復(fù)雜的si02干法刻蝕工藝，節(jié)省成'本，而且執(zhí) "、、處理溫度低，適合于大規(guī)模集成化生產(chǎn)。


為進(jìn) 一 步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容以下么士合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖la為涂膠過程；圖lb為甩膠成膜過程。 圖2為接觸式紫外光曝光示意圖； 圖3為曝光后折射率變化示意圖；圖4為條形摻鉺波導(dǎo)放大器剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖2 —圖4所述，本發(fā)明 一 種紫外光直寫 制作摻鉺雜化S i 02光波導(dǎo)放大器的方法，包括如下步驟步驟1 :先用熱氧化法在單晶S i襯底10上生長(zhǎng)下包層9，該下包層9的厚度為1 0微米一2 O微米 的Si02;步驟2 :利用有機(jī)/無機(jī)雜化的溶膠_凝膠法制備摻鉺光敏性Si(h材料；該有機(jī)/無機(jī)雜化摻鉺光敏性Si02材料的制備，是用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅 烷作為反應(yīng)先軀體，鹽酸溶液為催化劑，混合攪拌水解，摻入四丙氧基鋯調(diào)節(jié)折射率，硝酸鉺溶液提供鉺離子，正丙醇為溶劑，摻入1 一羥基一環(huán)己基苯酮使得材料具有光敏性，避光條件下過濾老化成膠體；步驟3:在下包層9上旋涂光敏性雜化Si02薄膜8作為心層，該光敏性雜化Si02薄膜8為光敏性SiO:材料步驟4-、/ -: 刖烘，固化；步驟5:然后利用紫外光6通過掩模版7進(jìn)々"l 編光，將Pin 奮件圖形直接復(fù)制到芯層上；該紫外光6通過覆蘭 rm—在光敏性雜化Si02薄膜8上的刻有波導(dǎo)圖形的掩模版7進(jìn)行曝光，使掩模版7透光部分下的被曝光的薄膜11由于金屬鋯進(jìn) 一 步進(jìn)入有機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，使折射率增大未曝光的部分1 2折射率不變；慘入光敏劑1—羥基—環(huán)已基苯酮的光敏性S i 02材料是 一 種負(fù)性感光材料，用正丙醇為顯影劑，薄膜未曝光的部分12經(jīng)過顯影將會(huì)被去掉，被曝光的薄膜1 1會(huì)留下，形成條形波導(dǎo)13，從而制成條形摻鉺波導(dǎo)放大器；步驟6顯影、后烘，獲得條形慘鉺波導(dǎo)放大器。中顯影之后，在3 0 0 °C- 5 0 Or下后烘處理，使得材料的折射率進(jìn)一步提高，波導(dǎo)芯層和下包層9折射率差更大，使光波模式更好的限制在條形波導(dǎo)13中可以激活鉺離子，提高光致發(fā)光強(qiáng)度 ，進(jìn)一步將被曝光的薄膜1 1中殘留溶劑含量降到最低，使得器件損耗降到最低。中波導(dǎo)心層的折射率是通過調(diào)節(jié)四丙氧基鋯摻雜量進(jìn)行控制紫外曝光時(shí)間、后烘溫度及時(shí)間對(duì)折射率做進(jìn)一步調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)有機(jī)溶劑正丙醇的用it 、旋涂速率、旋涂時(shí)間實(shí)現(xiàn)薄膜厚度可控，且 一 次涂布即可達(dá)到器件實(shí)用化的厚度要求；通過調(diào)節(jié)硝酸鉺摻雜量，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻且不同的摻鉺濃度，以獲得最大的發(fā)光強(qiáng)度。請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2和圖3所示，本發(fā)明紫外光直寫制 作摻鉺雜化S i02光波導(dǎo)放大器的方法，包括如下步驟 (1 )在單晶S i襯底10上利用熱氧化法生長(zhǎng)18 u m的S i 02下包層9 ，利用棱鏡耦合儀測(cè)得折射率 為1.4 5 8 (測(cè)試波長(zhǎng)為6 3 2.8nm);(2 )溶膠合成取 一 定比例的反應(yīng)先軀體甲基 丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS )和催化劑鹽酸 (HC 1 )溶液，磁力攪拌2 h水解；然后按照所需波導(dǎo) 芯層的要求，將 一 定量的粘合劑甲基丙烯酸(MAA)、 調(diào)節(jié)折射率材料四丙氧基鋯(ZPO)，以及硝酸鉺EK N03) 3溶液在正丙醇"-Propyl alcohol)中磁力攪拌3 0 mi n ，隨后與水解產(chǎn)物混合繼續(xù)攪拌1 h ;在避光條件 下，將一定量的光敏劑l一羥基一環(huán)已基苯酮(HCPK) 加入溶膠中攪拌3 0 min，最后將在整個(gè)溶膠避光條件下用0■ 5;P m微孔濾膜過濾，放置老化2 4 h，ZP0摻雜量越多，光敏性Si02材料的折射率就越大。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行；c3)涂膠(參閱圖1 a禾卩圖1 b ):利用勻膠機(jī)旋涂成膜，首先真空管4下面連接泵進(jìn)行抽真空，將基片2緊緊吸附在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)器3在媒溶膠1時(shí)低速或者不旋轉(zhuǎn)，溶膠1均勻的滴落在基片2上之后旋轉(zhuǎn)器3高速旋轉(zhuǎn)，旋涂速率為3 0 0 0 r pm ，時(shí) 間為3 Q s ，基片2上即成幾個(gè)至十幾個(gè)微米厚的凝膠 薄膜5 ;(4 )前烘為了固化薄膜，防止接觸式曝光時(shí) 發(fā)生粘版現(xiàn)象，100。C-120。C下前烘10min — 3 0 mi n ，凝膠薄膜5由原來的液態(tài)變成固態(tài)的光敏性 雜化Si02薄膜8 ;(5 )紫外寫入利用刻有波導(dǎo)圖形的掩模版7 ， 通過接觸式曝光系統(tǒng)進(jìn)行紫外光6曝光，紫外光6波 長(zhǎng)《3 6 5nm， 功率》3 5 Ow， 曝光時(shí)間5min - 3 0 min。掩模版7透光部分下的被曝光的薄膜1 1 ，由 于金屬鋯進(jìn) 一 步進(jìn)入有機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，折射率增大，折射 率隨著曝光時(shí)間的增加而增大，最后趨于飽和；未曝 光的部分l 2折射率不變；(6 )顯影(參閱圖4 ):摻入光敏劑HCPK的光 敏性雜化Si02薄膜8是 一 種負(fù)性感光材料，未曝光的 部分1 2顯影將會(huì)被去掉，被曝光的薄膜1 1會(huì)留下， 正丙醇為顯影劑，顯影3min -5min，之后用氮?dú)獯?干，形成條形波導(dǎo)1 3 ，從而制成條形摻鉺波導(dǎo)放大 器；(7 )后烘3 0 0 °C _ 5 0 0 °C溫度下后烘2 h ， 進(jìn)一步提高條形波導(dǎo)l 3的折射率，而且后烘引起的折射率增大效應(yīng)明顯高于紫外曝光引起的折射率增大 效應(yīng)，這使光波模式更好的限制在條形波導(dǎo)13中； 同時(shí)激活El^離子，提高光致發(fā)光強(qiáng)度；并且將條形波導(dǎo)13中殘留溶劑含量降低，使得器件損耗降低。
權(quán)利要求
1、一種紫外光直寫制作摻鉺雜化SiO2光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1先用熱氧化法在單晶Si襯底上生長(zhǎng)下包層；步驟2利用有機(jī)/無機(jī)雜化的溶膠-凝膠法制備摻鉺光敏性SiO2材料；步驟3在下包層上旋涂光敏性雜化SiO2薄膜作為芯層；步驟4前烘，固化；步驟5然后利用紫外光通過掩模版進(jìn)行曝光，將器件圖形直接復(fù)制到芯層上；步驟6顯影、后烘，獲得條形摻鉺波導(dǎo)放大器。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種紫外光直寫制作 摻鉺雜化S i 0 2光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，其 中下包層的厚度為l 0微米一2 0微米的Si02。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種紫外光直寫制作 摻鉺雜化Si02光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，其 中光敏性雜化S i 0 2薄膜為光敏性S i 0 2材料。-凝膠法制備 Si02薄膜作
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種紫外光直寫制作摻鉺雜化S i 0 2光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，中有機(jī)/無機(jī)雜化摻鉺光敏性S i 0 2材料的制備，是用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷作為反應(yīng)先軀體，±卜酸溶液為催化劑，混合攪拌水解，摻入四丙氧基鋯調(diào)節(jié)折射率，硝酸鉺溶液提供鉺離子，正丙醇為溶劑，摻入1一羥基 一 環(huán)已基苯酮使得材料具有光敏性，避光條件下過濾老化成膠體。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種紫外光直寫制作摻鉺雜化Si02光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，中紫外光通過覆蓋在光敏性雜化S i 0 2薄膜上的刻有波導(dǎo)圖形的掩模版進(jìn)行曝光，使掩模版透光部分下的被曝光的薄膜由于金屬鋯進(jìn)一步進(jìn)入有機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，使折射率增大;未曝光的部分折射率不變；摻入光敏劑1一羥基—環(huán)己基苯酮的光敏性Si02材料是一種負(fù)性感光材料，用正丙醇為顯影劑，薄膜未曝光的部分經(jīng)過顯影將會(huì)被去掉，被曝光的薄膜會(huì)留下，形成條形波導(dǎo)，從而制成條形摻鉺波導(dǎo)放大器。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種紫外光直寫制作摻鉺雜化Si02光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，中顯影之后，在3 0 0 °C- 5 0 0 。C下后烘處理，使得材料的折射率進(jìn)一步提高，波導(dǎo)芯層和下包層折射率差更大，使光波模式更好的限制在條形波導(dǎo)中可以激活鉺離子，提高光致發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)步將被曝光的薄膜中殘留溶劑含量降到最低，使得器件損耗降到最低7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的種紫外光直寫制作摻鉺雜化S:i02光波導(dǎo)放大器的方法，特征在于, 其中波導(dǎo)心層的折射率是通過調(diào)節(jié)四丙氧基鋯慘雜量進(jìn)控制，紫外曝光時(shí)間、后烘溫度及時(shí)間對(duì)折射率做進(jìn)步調(diào)節(jié);通過調(diào)節(jié)有機(jī)溶劑正丙醇的用量、旋涂速率旋涂時(shí)間實(shí)現(xiàn)薄膜厚度可控，且次涂布即可達(dá)到器件實(shí)用化的厚度要求；通過調(diào)節(jié)硝酸鉺摻雜量， 能夠?qū)崿F(xiàn)均勻且不同的摻鉺濃度，以獲得最大的發(fā)光 強(qiáng)度。
全文摘要
一種紫外光直寫制作摻鉺雜化SiO₂光波導(dǎo)放大器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1先用熱氧化法在單晶Si襯底上生長(zhǎng)下包層；步驟2利用有機(jī)/無機(jī)雜化的溶膠-凝膠法制備摻鉺光敏性SiO₂材料；步驟3在下包層上旋涂光敏性雜化SiO₂薄膜作為芯層；步驟4前烘，固化；步驟5然后利用紫外光通過掩模版進(jìn)行曝光，將器件圖形直接復(fù)制到芯層上；步驟6顯影、后烘，獲得條形摻鉺波導(dǎo)放大器。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101334504SQ20071011800
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者吳遠(yuǎn)大, 安俊明, 李建光, 鵫 王, 王紅杰, 胡雄偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所