紫外写入技术制备光波导器件研究1

半　导　体　学　报

C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICON

D U C TO RS

Vol.27　No.4

Apr.,2006

3国家自然科学基金资助项目(批准号:60477035,60507006) 通信作者.Email :wuyua nda @red.se mi.ac.cn 　2005206217收到,2005212205定稿

c ○2006中国电子学会

紫外写入技术制备光波导器件研究

3

吴远大 　夏君磊　安俊明　李建光　王红杰　胡雄伟

(中国科学院半导体研究所光电研发中心,北京　100083)

摘要:研究了采用P ECV D 方法生长的Si 基SiO 2波导材料的光敏特性.经过高压载氢处理,利用Kr F 准分子激光

脉冲(工作波长为248nm )在波导材料中诱导出的折射率变化量达到01005,相对值约增加0134%.详细研究了紫外光诱导出的折射率变化沿样品深度方向的分布情况.最后,采用紫外写入法在P ECV D 方法生长的Si 基SiO 2波导芯层中制备出了单模波导和Y 分束器样品,并观测到了通光现象,实测结果与模拟结果一致.关键词:紫外写入;折射率;光波导;分束器EEACC :1320

中图分类号:TN 814+16　　　文献标识码:A 　　　文章编号:025324177(2006)0420744203

1　引言

光子集成或光电子集成主要有两种途径,即单片式集成与混合式集成.就用于混合式光集成的无源光波导而言,SiO 2光波导因其本征损耗低、价格低廉、与石英玻璃通信光纤的兼容性好等优点而受到广泛的关注.SiO 2/Si 光波导典型的制作工艺是F HD +R I E (或者P ECV D +R I E ):即用火焰水解法(或等离子增强化学气相沉积法)先在单晶硅衬底上淀积厚SiO 2下包层和掺Ge 的SiO 2波导芯层后,采用R I E 或者I C P 刻蚀出波导芯条,然后再淀积一层SiO 2厚膜作为上包层.这种制作工艺完全是基于集成电路中的CMOS 技术平台,即在超净间里进行照像复印、反应离子刻蚀等复杂的工艺制作过程[1～3].工艺成本高,过程复杂是其主要缺点.随着市场上光通信器件价格的一路走低,越来越有必要寻找一种更经济、更便于操作的新工艺来制作SiO 2/Si 条形光波导及其相关集成光器件.

近年来,对光学敏感性的光波导制备技术研究有了很大的进展,利用紫外写入法在光纤上制作光栅的技术已经相当成熟,并且得到了广泛的应用[4,5].利用紫外写入法在掺杂GeO 2的SiO 2厚膜玻璃上制作条形波导的技术在国外也有了许多报道[6,7].这些技术都是利用了纤芯或SiO 2厚膜中Ge 对紫外光的敏感性(即GeO 2在510eV 或说242nm 附近存在一个很强的吸收带),即在紫外光的作用下,光纤纤芯或掺Ge 的SiO 2厚膜中的折射率会发生显著变化这种原理制备的[8].利用紫外写入法制

作光波导具有制作成本低、操作方便、有利于降低波

导损耗;而且,紫外光诱导法直接写入波导,可以通过控制光斑尺寸和扫描过程来调节波导芯的宽度和折射率分布台阶参数,这对大规模平面光路的各种布局设计以及对光路的局部进行再加工等都是非常有利的.

本实验采用Kr F 准分子脉冲激光辐照P ECV D 法制备的GeO 22SiO 2薄膜,获得的折射率变化相对值达到了0134%.并且,通过硅掩模板在硅基SiO 2平面波导中制备出了单模条形光波导和1×2波导型分束器.

2　实验

采用P ECV D 法在单晶硅片上生长两层SiO 2

图1　折射率沿深度方向的分布情况

Fig.1　Ref ractive index p rofile of t he films in diff er 2e nt t hickness

少量的P和B,厚度约为15μm;上层为芯层,厚度约为515μm,除了掺入了少量的P和B外,还掺入了摩尔含量为715%的GeO2(薄膜中Ge和Si的原子比).为了增强GeO22SiO2薄膜的光敏性,把波导材料放在氢气罐中进行高压处理,氢气压力为113×107Pa,处理时间为14天.使用的Kr F准分子激光器工作波长为248nm,单脉冲能量密度为110mJ/ cm2,脉冲频率为20Hz.3　结果与讨论

利用Kr F准分子激光脉冲大面积照射高压氢气处理后的GeO22SiO2薄膜表面,通过控制不同的照射时间来研究材料的光敏特性.材料光照前后的折射率通过棱镜耦合仪(Model2010Prism Cou2 pler)可测试出.图1是不同光照时间下(时间间隔为5min)材料折射率沿深度方向的分布情况,

曲线

图2　紫外写入法得到的单模波导　(a)单模波导阵列照片;(b)单模波导通光照片

Fig.2　Single2mode waveguides fabricated by UV2writing technology　(a)Photograph of single2mode waveguide　(b)Photograph of light spot in the single2mode

waveguide

图3　紫外写入法制备的Y型波导分束器　(a)Y型波导分束器照片;(b)分束器的二维PBM模拟结果;(c)分束器实测结果

Fig.3　Y2splitter fabricated by UV2writing technology　(a)Photographs of Y2splitters;(b)Simulated re2

sults of Y2splitter;(c)Photographs of light spot in the Y2splitter

547半　导　体　学　报第27卷

a,b,c,d,e,f对应的光照时间分别为5,10,15,20, 25和30min,在波长63218nm处的折射率分别为114702,114709,114715,114721,114730和114739,紫外光照以前的折射率为114680.从图中可以看出,当紫外光照时间为25和30min时,折射率变化相对值达到了0134%和0140%.因为紫外光在GeO22SiO2薄膜中存在一定的吸收,所以折射率沿深度方向的分布有所下降.延长紫外光照时间,当折射率达到“饱和”以后,这一问题可能得到改善.

利用Kr F准分子激光脉冲,按以上条件通过硅掩模板(带有单模波导和Y分束器图案)对高压处理后的SiO2平面光波导进行照射,光照时间为25min,即可在SiO2平面光波导中写入折射率变化的单模光波导和Y型波导分束器.图2(a)和(b)分别是采用紫外写入法得到的单模波导阵列和单模波导通光照片.其中,单模波导宽度为8μm.从图2(b)中可以看出,波导的x、y两个方向都是单模,因此可以确定得到的是单模波导结构.

图3是采用紫外写入法得到的Y型波导分束器、模拟结果和分束器通光照片.输入、输出波导宽度均为8μm,锥形区长度为600μm,弯曲波导长度3500μm,输出波导间距127μm.图3(a)是紫外写入法制备的Y型波导分束器照片;图3(b)是该分束器的光场二维BPM 模拟结果;图3(c)是分束器的实际测试结果.从图中可以看出,该分束器的功率分配比较均匀.

4　结论

本实验采用Kr F准分子激光脉冲在PECVD 法生长的硅基GeO22SiO2平面波导芯层中直接诱导出了单模条形光波导和1×2波导型分束器.紫外光诱导的折射率变化相对值达到了0134%.该方法具有设备便宜、成本低、便于操作、适合大规模生产等潜在优势.

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F abrication of Optical W aveguide Devices with UV2Writing T echnology3

Wu Yuanda ,Xia J unlei,An J unming,Li Jianguang,Wang Hongjie,and Hu Xiongwei

(Research and Develop ment Center f or Optoelect ronics,I nstit ute of Semiconductors,

Chinese A cadem y of S ciences,Bei j ing100083,China)

Abstract:The p hot ose nsitivity of commercial Si/SiO2waveguide materials p rep ared by P ECV D is studied.Af ter exp osure t o high2p ressure hydroge n,t he as2dep osited films are irradiated wit h excimer2laser p ulses operating at248nm.The change in t he induced relative ref ractive index is about0134%.The sectional index dist ribution of U V2writing waveguides is investigated in detail.Finally,single2mode op tical waveguides a nd Y2splitters are f abricated f rom silica2based planar op tical waveguides wit h U V2writing technology wit h a silicon mask.The test results agree wit h t he simulation results.

K ey w ords:U V2writing;ref ractive index;op tical waveguide;op tical splitter

EEACC:1320

Article ID:025324177(2006)0420744203

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Corresp onding aut hor.Email:wuyua nda@red.se mi.ac.cn

　Received17J une2005,revised ma nuscrip t received5December2005c○2006Chinese Institute of Elect ronics 7