平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及集成光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。它提出了一種多信道平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器，是基于平面光波導(dǎo)技術(shù)，采用硅基沉積二氧化硅和金屬薄膜滅射法的多層平面晶圓加工制作工藝和技術(shù)。該衰減器的光路由馬赫-曾德爾干涉儀的上臂調(diào)節(jié)支路和下臂直通支路構(gòu)成；加熱電路由高電導(dǎo)率的導(dǎo)電層和高電阻率的加熱層構(gòu)成；光電控制回路由光耦合器、光電二極管、運算放大器、微處理器構(gòu)成，能對可調(diào)電源作出線性調(diào)節(jié)和控制，從而在衰減器的輸出端得到不同大小的光功率；并采用深度刻蝕的隔熱槽結(jié)構(gòu)，可減小光衰減器的串?dāng)_。該光器件不但集成度高，性能穩(wěn)定可靠；而且制作工藝成熟、穩(wěn)定、適合大批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和光學(xué)儀器設(shè)備。
【專利說明】平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種多信道平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器（V0A)，屬于集成光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前光衰減器已有多種類型的制造技術(shù)，大致可分為分立微光元件技術(shù)、微機電 系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)及平面光波導(dǎo)（PLC)技術(shù)等。分立微光兀件技術(shù)又可分為機械、磁光效 應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等諸多型式，但分立微光兀件通常體積較大，單件生產(chǎn)成 本較高；而采用微機電系統(tǒng)和平面光波導(dǎo)技術(shù)制造的可調(diào)光衰減器適合光路的集成化和模 塊化發(fā)展的需要，體積小、成本低、集成度高，適合大批量生產(chǎn)。微機電系統(tǒng)的可調(diào)光衰減器 雖然也可以實現(xiàn)小型化和集成化，但器件存在運動部件，其穩(wěn)定性和可靠性不如平面光波 導(dǎo)器件。
[0003] 采用平面光波導(dǎo)技術(shù)制造的可調(diào)光衰減器也有利用磁光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效 應(yīng)、聲光效應(yīng)等多種型式。雖然熱光效應(yīng)的可調(diào)光衰減器是目前最為普遍被采用的型式之 一，控制靈活方便、性能穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)精度高，但其調(diào)節(jié)深度不夠廣，制成多信道可調(diào)光衰 減器時串?dāng)_較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種尺寸小、集成度高、性能穩(wěn)定的多信道平面波導(dǎo)型可調(diào) 光衰減器，它可用于平衡和調(diào)節(jié)光的強度，在光信號傳輸過程中起到調(diào)節(jié)信號強度和平衡 多路信號幅值的作用，也可用于控制信號的通、斷，是現(xiàn)代光通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和各類光學(xué)儀器 必不可少的重要器件。
[0005] 本發(fā)明的方案是設(shè)計一個多層光電晶圓結(jié)構(gòu)，其光波導(dǎo)采用硅基沉積二氧化硅的 半導(dǎo)體加工技術(shù)和工藝制作，波導(dǎo)光芯沉積于硅基晶圓上，并置于折射率和厚度都不同于 光芯的二氧化硅襯墊和覆蓋包層中，其襯墊和覆蓋包層的折射率略小于光芯的折射率，厚 度則是光芯厚度的二到三倍；加熱和導(dǎo)電的金屬薄膜層采用濺射工藝制作；防金屬氧化保 護層的制作采用化學(xué)氣相沉積工藝；隔熱槽則采用深度化學(xué)刻蝕工藝制成?？烧{(diào)光衰減器 的光電結(jié)構(gòu)特征是：由馬赫-曾德爾干涉儀的上、下臂支路構(gòu)成具有調(diào)節(jié)和直通功能的光 路結(jié)構(gòu)；由耦合器、光電二極管、運算放大器、微處理器組成控制電路；由電子控制的可調(diào) 電源、高電導(dǎo)率的導(dǎo)電電路和高電阻率的加熱器組成加熱電路。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點：
[0007] 1.由于采用硅基沉積二氧化硅和金屬薄膜濺射法的多層光電晶圓半導(dǎo)體加工技 術(shù)和工藝制作，克服了傳統(tǒng)光纖熔錐器件在生產(chǎn)工藝和器件性能上存在的穩(wěn)定性和可靠性 問題，提高了器件的生產(chǎn)效率和性能。平面工藝器件適合大批量生產(chǎn)，而且體積小，重量輕， 集成度高，成本低。
[0008] 2.利用二氧化硅材料的熱光效應(yīng)，通過改變支路光波導(dǎo)的溫度，導(dǎo)致二氧化硅材 料折射系數(shù)的變化來調(diào)節(jié)光信號的相位和強度。由于采用電子控制的可調(diào)加熱電路，控制 靈活方便、性能穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)精度高，無運動部件。
[0009] 3.由于采用深度蝕刻的隔熱槽結(jié)構(gòu)，可隔離衰減器上、下支路之間的熱傳導(dǎo)以及 多路信道之間的交叉熱傳導(dǎo)，提高了衰減器的調(diào)節(jié)深度，減小了多信道可調(diào)光衰減器的串 擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 本發(fā)明有如下附圖：
[0011] 圖1至圖10是本發(fā)明平面光波導(dǎo)加工過程中的截面結(jié)構(gòu)示意圖
[0012] 其中：圖1娃基晶圓
[0013] 圖2沉積未摻雜的二氧化硅下包層（襯墊）
[0014] 圖3沉積摻鍺的二氧化硅芯層
[0015] 圖4鉻層 [0016] 圖5光刻膠層 [0017] 圖6光刻膠影像
[0018] 圖7刻蝕鉻層
[0019] 圖8二氧化硅芯層的精密刻蝕
[0020] 圖9去除光刻膠和鉻層
[0021] 圖10沉積摻硼和磷的二氧化硅覆蓋包層
[0022] 圖11至圖15是本發(fā)明多層光電結(jié)構(gòu)截面示意圖
[0023] 其中：圖11光芯覆蓋包層上形成加熱層
[0024] 圖12加熱層上形成導(dǎo)電層
[0025] 圖13形成金屬薄膜防氧化保護層
[0026] 圖14刻蝕二氧化硅覆蓋包層和襯墊
[0027] 圖15深度刻蝕層形成隔熱槽結(jié)構(gòu)
[0028] 圖16是本發(fā)明光電回路及控制線路工作原理示意圖
[0029] 圖中：
[0030] 1. 硅基晶圓： 半導(dǎo)體硅基材，作為晶圓芯片加工的襯底 2. 襯墊： 置于光芯底部，折射率略小于波導(dǎo)光芯的二氧化硅基材 3. 波導(dǎo)光芯： 二氧化硅平面光波導(dǎo)，傳輸光信號
[0031] 4. 鉻層： 刻蝕時作為保護層 5. 光刻膠層： 負光刻膠，作為光刻的涂層 6. 光刻膠影像： 光通過掩模后處理的光刻膠 7. 覆蓋包層： 置于光芯上部，折射率略小于波導(dǎo)光芯的二氧化硅覆蓋層 8. 加熱層： 作為薄膜加熱器，材料為鎢、鉻或鉑等金屬 9. 導(dǎo)電層： 作為薄膜導(dǎo)電電路，材料為金、銅或鋁等金屬 10. 保護層： 防金屬氧化的薄膜保護層 11. 深度刻蝕層： 深度化學(xué)刻蝕的隔熱槽，隔離衰減器上、下支路的熱傳導(dǎo) 12. 下臂支路： 馬赫-曾德爾干涉儀型衰減器的下臂直通波導(dǎo)支路 13. 加熱器： 金屬薄膜加熱器 ' 14. 導(dǎo)電電路： 金屬薄膜導(dǎo)電電路 15. 可調(diào)電源： 加熱器電子控制可調(diào)電源 16. 隔熱槽： 隔離馬赫-曾德爾干涉儀上、下臂支路間的熱傳導(dǎo) 17. 信號輸入端： 可調(diào)光衰減器的光信號輸入端 18. 干涉儀輸出端：馬赫-曾德爾干涉儀的光信號輸出端 19. 光耦合器： 耦合/采樣光信號 20. 光電二極管： 將光信號轉(zhuǎn)化為電信號 21. 運算放大器： 放大小的電信號 22. 微處理器： 控制可調(diào)電源 23. 信號輸出端： 可調(diào)光衰減器的光信號輸出端 24. 上臂支路： 馬赫-曾德爾干涉儀型衰減器的上臂調(diào)節(jié)波導(dǎo)支路

【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的【具體實施方式】：
[0033] 本發(fā)明的光衰減器是采用硅基沉積二氧化硅和金屬薄膜濺射法的多層晶圓半導(dǎo) 體加工技術(shù)和工藝制作而成的，如圖15多層光電結(jié)構(gòu)截面示意圖所示，由硅基晶圓（1)、襯 墊（2)、波導(dǎo)光芯（3)、覆蓋包層（7)、加熱層（8)、導(dǎo)電層（9)、保護層（10)和隔熱槽（11)構(gòu) 成，其工藝步驟為：
[0034] 1.采用等離子氣相沉積法，在硅基晶圓（1)上，沉積襯墊（2)，如圖2所示；
[0035] 2.采用等離子氣相沉積法，在襯墊（2)上，沉積波導(dǎo)光芯（3)，如圖3所示；
[0036] 3.經(jīng)過高溫退火后，在波導(dǎo)光芯（3)上，濺射一層鉻（4)，如圖4所示；
[0037] 4.涂覆一層光刻膠，如圖5所示；
[0038] 5.在掩模板下通過光刻機完成光刻膠的光刻，形成光刻膠影像，如圖6所示；
[0039] 6.利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，刻蝕鉻層，形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 7.按照波導(dǎo)所要求的尺寸和精度，完成二氧化硅波導(dǎo)光芯的精密刻蝕，形成所設(shè) 計的平面波導(dǎo)光路，如圖8所示；
[0041] 8.去除光刻膠和鉻層，形成如圖9所示的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 9.沉積摻硼和磷的二氧化硅覆蓋包層，形成如圖10所示的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 10.在光芯覆蓋包層上采用金屬薄膜濺射工藝形成加熱層（8)和導(dǎo)電層（9)，形成 如圖11和圖12所不的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0044] 11.用化學(xué)氣相沉積工藝形成金屬薄膜防氧化保護層（10)，形成如圖13所示的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0045] 12.深度刻蝕層（11)的加工采用化學(xué)刻蝕工藝，制成隔熱槽，形成如圖15所示的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 13.切割晶圓，拋光打磨裸片，完成芯片的封裝。
[0047] 其中波導(dǎo)光芯（3)二氧化硅材料的折射率略大于襯墊（2)和覆蓋包層（7)二氧化 硅材料的折射率；而襯墊（2)和覆蓋包層（7)的厚度是波導(dǎo)光芯（3)厚度的二到三倍，以保 證光信號高效率地在波導(dǎo)光芯中傳送。薄膜加熱層（8)采用電阻率較高的鎢、鉻或鉬等電 熱金屬材料；薄膜導(dǎo)電層（9)則采用電導(dǎo)率較高的銅、金或鋁等金屬電導(dǎo)材料；防金屬氧化 薄膜保護層（10)的材料是氮化硅，以保護金屬加熱和導(dǎo)電薄膜，防止被氧化；深度刻蝕層 (11)的化學(xué)刻蝕深入至硅基晶圓（1)，形成有效的隔熱槽（16)。
[0048] 本發(fā)明的光路采用馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖16所示。光信號從輸入端（17) 進入衰減器，然后平均分成二路：上臂支路（24)和下臂支路（12)。上臂支路為調(diào)節(jié)支路， 位于其上方的是金屬加熱薄膜，作為加熱器（13)，根據(jù)需要對上臂支路（24)的溫度進行調(diào) 節(jié)，利用二氧化硅材料的熱光效應(yīng)（折射率和溫度具有線性正比關(guān)系），通過改變波導(dǎo)材料 的溫度來改變材料的折射率，使光信號的相位發(fā)生變化，上臂支路（24)的信號經(jīng)調(diào)節(jié)移相 后與下臂支路（12)的直通信號在干涉儀輸出端（18)合二為一，二個原先相位和幅值相同 的信號經(jīng)過調(diào)節(jié)后變?yōu)槎€幅值仍然相等，但相位不再相同的信號，疊加后將改變原先信 號的強度。輸出端（18)的信號經(jīng)過光耦合器（19)后，一部分光信號被耦合/采樣，進入 光電二極管（20)，這光電二極管（20)的作用是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，從光電二極管輸出 的電信號再進入運算放大器（21)，該運算放大器的作用是將微小的電信號放大，從運算放 大器出來的電信號再進入微處理器（22)，這微處理器依據(jù)大小不同的電信號，對可調(diào)電源 (15)作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)至上、下臂支路信號相位相差180度時輸出信號強度為零，這 時的衰減器還可以作為光開關(guān)使用。加熱電路除了加熱器（13)外還包括：導(dǎo)電層（9)、導(dǎo) 電電路（14)和電子控制可調(diào)電源（15)，通過控制電源的電壓或電流來改變加熱器（13)輸 出的熱量，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖中隔熱槽（16)的作用是隔離馬赫-曾德爾干涉儀光路 上、下臂支路之間的熱傳導(dǎo)以及多路信道之間的交叉熱傳導(dǎo)，可提高利用熱光效應(yīng)的平面 波導(dǎo)型衰減器的調(diào)節(jié)深度，減小多路集成光衰減器各信道間的串?dāng)_。
【權(quán)利要求】
1. 平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器，由多層光電晶圓結(jié)構(gòu)組成，包括硅基、襯墊、波導(dǎo)光芯、覆 蓋包層、加熱層、導(dǎo)電層、保護層和深度刻蝕層，其特征在于：硅基晶圓上沉積折射率及厚度 不同的二氧化硅襯墊、波導(dǎo)光芯和覆蓋包層，構(gòu)成平面光波導(dǎo)層；平面光波導(dǎo)層的光路調(diào)節(jié) 支路上濺射金屬薄膜加熱層和導(dǎo)電層；在金屬薄膜上沉積防金屬氧化的保護層；光路調(diào)節(jié) 支路和信道間刻蝕深度隔熱槽；可調(diào)光衰減器的光路由馬赫-曾德干涉儀單元構(gòu)成；加熱 電路由電子控制的可調(diào)電源、高電導(dǎo)率的金屬導(dǎo)電薄膜電路、高電阻率的金屬加熱薄膜片 以及電路接口組成；光電控制回路由光耦合器、光電二極管、運算放大器、微處理器構(gòu)成。
2. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：平面型波導(dǎo)光芯是沉積于硅基晶 圓上，并置于折射率和厚度都不同于波導(dǎo)光芯的襯墊和覆蓋包層中構(gòu)成平面光波導(dǎo)器件； 其襯墊和覆蓋包層的折射率略小于波導(dǎo)光芯的折射率；而襯墊和覆蓋包層的厚度則是波導(dǎo) 光芯厚度的二到三倍。
3. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：平面光波導(dǎo)層的光路調(diào)節(jié)支路上 面濺射金屬薄膜加熱層和導(dǎo)電層；導(dǎo)電薄膜層材料是電導(dǎo)率較高的金、銅或鋁等金屬或合 金；加熱薄膜層材料是電阻率較高的鎢、鉻或鉬等金屬或合金。
4. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：在金屬薄膜上面沉積氮化硅薄膜 構(gòu)成防金屬氧化保護層。
5. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：馬赫-曾德爾干涉儀的上、下支路 之間和各路信道之間刻蝕深度隔熱槽。
6. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：馬赫-曾德爾干涉儀的光路結(jié)構(gòu) 由信號輸入端、上臂調(diào)節(jié)支路、下臂直通支路和信號輸出端構(gòu)成，并以此為基本單元組成具 有多路信道的平面波導(dǎo)型可調(diào)光衰減器。
7. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：金屬加熱薄膜片置于馬赫-曾德 爾干涉儀的上臂調(diào)節(jié)支路上面構(gòu)成加熱器，金屬導(dǎo)電薄膜電路置于加熱薄膜片的兩端，并 連接器件兩側(cè)端部的電路接口，電子控制的可調(diào)電源通過電路接口與加熱器連接。
8. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：嵌入光電二極管，作為采樣電路， 將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。
9. 按權(quán)利要求1所述的可調(diào)光衰減器，其特征在于：采用光耦合器、光電二極管、運算 放大器、微處理器構(gòu)成光電控制回路，能檢測馬赫-曾德爾干涉儀的輸出功率，對可調(diào)電源 作出線性調(diào)節(jié)和控制，從而在衰減器的輸出端得到不同大小的光功率。
【文檔編號】G02F1/01GK104216145SQ201310216150
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月3日
【發(fā)明者】陳谷紅 申請人:宜興新崛起光集成芯片科技有限公司