專利名稱：降低硅或絕緣體上的硅材料光波導損耗的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種降低硅光波導，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI(Silicon-on-insulator)光波導損耗的方法，屬于集成光學器件領域。
背景技術：
硅是微電子學領域最重要的半導體材料，其成本低，加工工藝技術和集成電路技術非常成熟。而且在1.3-1.6μm的光通信波長范圍內，硅的光吸收損耗非常低。隨著光纖通信的迅猛發(fā)展，將硅從微電子學領域拓展到光電子學領域，開展全硅(包括絕緣體上的硅材料，SOI)光集成有源和無源器件的研究已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢。而硅光波導，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導是全硅光集成技術中最重要的器件結構，是其它有源和無源波導器件的基礎。硅光波導或SOI光波導的損耗值將直接影響光波導器件的性能指標與應用范圍。
光波導的損耗有傳輸損耗和耦合損耗兩部分。波導傳輸損耗是由于光子在波導結構傳播過程中被吸收及散射，其中散射損耗是主要部分。而波導表面不平整引起的波導界面畸變散射是光波導重要的光散射機理，因此波導表面的粗糙程度是硅光波導或SOI光波導傳輸損耗的主要決定因素(Rickman，A.G.，Reed，G.T.，and Namavar，F(xiàn).，Silicon-on-insulator optical ribwaveguide loss and mode characteristics，Journal of LightwaveTechnology，vol.12，no.10，p.1771-1776，1994；Marcuse，D.，Lighttransmission optics，Van Nostrand Reinhold，1982)。顯然，改善波導表面狀況，減小表面粗糙度以獲得平滑的波導表面是降低硅光波導或SOI光波導傳輸損耗的有效途徑。光波導的耦合損耗是指光場耦合出入光波導時輸入光場與波導內傳輸光場之間的模式失配損耗以及菲涅耳反射損耗。光波導的結構尺寸設計決定了輸入光場與波導內傳輸光場之間的模式失配損耗大??；而菲涅耳反射損耗，根據(jù)光學薄膜理論可以通過在光波導的輸入和輸出端面鍍一層折射率和厚度均滿足一定條件的均勻的增透膜，達到近似完全增透的效果，從而將其降低至極小值。對于硅光波導或SOI光波導而言，如果光直接從空氣耦合出入波導，則菲涅耳反射損耗為3.22dB；需要在硅光波導或SOI光波導的輸入和輸出端面鍍一層折射率約為1.87，厚度約為200nm的均勻的的增透膜(對于1550nm光波波長)，可以將菲涅耳反射損耗大幅度降低至0.1dB(石順祥，張海興，劉勁松，物理光學與應用光學，西安電子科技大學出版社，p.72～75，2000；Fischer，U.，Zinke，T.，and Kropp，J.-R.，et al.，0.1dB/cm waveguide losses in single-mode SOI ribwaveguides，IEEE Photonics Technology Letters，vol.8，no.5，p.647-648，1996；)。
因此，如果通過有效途徑改善硅光波導或SOI光波導的波導表面狀況，并且在光波導的輸入和輸出端面獲得折射率與厚度合適且均勻的增透膜，則可以使硅光波導或SOI光波導的損耗顯著降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出了一種降低硅光波導，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法，其特征在于首先通過氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導或SOI光波導的波導表面狀況，顯著抑止光在波導結構中傳輸時的散射損耗，實現(xiàn)光波導傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入硅光波導或SOI光波導的菲涅耳反射損耗；從而能夠大幅度降低硅光波導或SOI光波導的損耗。
本發(fā)明的目的是通過兩個關鍵的技術途徑實現(xiàn)的(1)在氫氣氣氛中高溫烘烤硅光波導或SOI光波導；(2)利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入、輸出端面沉積折射率與厚度合適且均勻的氧化鉿增透膜。
第一個技術途徑的具體實現(xiàn)步驟如下1、在硅光波導或SOI光波導放入高溫反應爐前，采用半導體標準清洗工藝對波導進行清洗；2、用HCl氣體在1150～1250℃刻蝕硅光波導或SOI光波導表面0.5～2分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；3、在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內烘烤硅光波導或SOI光波導10分鐘～20小時，以改善波導表面狀況。
硅光波導或SOI光波導經(jīng)過氫氣的高溫烘烤后，表面狀況可以得到明顯的改善，波導表面變得很平滑，波導表面不平整引起的波導界面畸變散射損耗因此得到顯著抑止，從而降低了硅光波導或SOI光波導的傳輸損耗。
第二個技術途徑的具體實現(xiàn)步驟如下1、利用硅拋光工藝將硅光波導或SOI光波導的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無破缺的狀況；
2、采用半導體標準清洗工藝對硅光波導或SOI光波導進行清洗；3、利用離子束輔助沉積技術，在硅光波導或SOI光波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，沉積速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。
硅光波導或SOI光波導的輸入、輸出端面鍍上了均勻的氧化鉿增透膜后，光耦合出入光波導時的透過率明顯增大，實現(xiàn)將約為3.22dB的菲涅耳反射損耗大幅度降低至小于0.1dB。
本發(fā)明提出的一種降低硅光波導，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法，是通過簡單易行的上述成熟的技術途徑實現(xiàn)的，同時顯著降低了硅光波導或SOI光波導的傳輸損耗與耦合損耗。本發(fā)明可以應用于降低硅(或SOI)平面光波導、硅(或SOI)脊型光波導以及硅(或SOI)全內反射光波導等各種類型光波導的損耗，還可以應用于降低多模波導干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導等多種基于硅光波導或SOI光波導的無源器件損耗。


圖1是采用降低硅光波導損耗的方法處理前后的n/n+型硅外延平面硅光波導的示意圖。
(a)是處理前的n/n+型硅外延平面硅光波導的示意圖。
(b)是經(jīng)過氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的n/n+型硅外延平面硅光波導的示意圖。
圖2是采用降低SOI光波導損耗的方法處理前后的SOI脊型光波導的示意圖。
(a)是處理前的SOI脊型光波導的示意圖。
(b)是經(jīng)過氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的SOI脊型光波導的示意圖。
圖3是經(jīng)過氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的硅全內反射光波導的俯視圖。
圖4是經(jīng)過氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的2×2型硅多模波導干涉型耦合器的俯視圖。
圖中，1為n型硅，2為n+型硅，3為輸入/輸出端面，4為氧化鉿增透膜，5為二氧化硅埋層，6為全內反射鏡凹槽，7為全反射鏡，8為多模波導。
具體實施例方式
下面的實施例結合附圖將有助于理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此。
實施例1降低n/n+型硅外延平面光波導的損耗采用半導體標準清洗工藝對n/n+型硅外延平面光波導進行清洗，將光波導放入高溫反應爐內。用HCl氣體在1150℃刻蝕光波導表面1分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1150℃恒溫烘烤光波導15分鐘，以改善波導表面狀況。利用化學機械拋光工藝將n/n+型硅外延平面光波導的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無破缺后，采用半導體標準清洗工藝對光波導進行清洗。利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為175nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.3nm/s，鍍膜材料的折射率為1.89。
實施例2降低SOI脊型光波導的損耗利用化學機械拋光工藝將SOI脊型光波導的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無破缺后，采用半導體標準清洗工藝對光波導進行清洗。將光波導放入高溫反應爐內，用HCl氣體在1220℃刻蝕光波導表面2分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1200℃恒溫烘烤光波導30分鐘，以改善波導表面狀況。采用半導體標準清洗工藝對SOI脊型光波導進行清洗后，利用離子束輔助沉積技術，在光波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為207nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.5nm/s，鍍膜材料的折射率為1.87。
實施例3降低硅全內反射光波導的損耗采用半導體標準清洗工藝對硅全內反射光波導進行清洗，將光波導放入高溫反應爐內。用HCl氣體在1200℃刻蝕光波導表面1分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1200℃恒溫烘烤光波導1小時，以改善波導表面狀況。利用機械拋光工藝將硅全內反射光波導的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無破缺后，采用半導體標準清洗工藝對光波導進行清洗。利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為200nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.5nm/s，鍍膜材料的折射率為1.92。
實施例4降低2×2型硅多模波導干涉型耦合器的損耗利用化學機械拋光工藝將降低2×2型硅多模波導干涉型耦合器的各個輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無破缺后，采用半導體標準清洗工藝對光波導器件進行清洗。將光波導無源器件放入高溫反應爐內，用HCl氣體在1180℃刻蝕波導器件表面1分鐘，以去除器件表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1000℃恒溫烘烤光波導器件10小時，以改善表面狀況。采用半導體標準清洗工藝對2×2型硅多模波導干涉型耦合器進行清洗后，利用離子束輔助沉積技術，在光波導器件的各個輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為187nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.7nm/s，鍍膜材料的折射率為1.93。
權利要求
1.一種降低硅光波導損耗的方法，其特征在于首先通過氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導的波導表面狀況，實現(xiàn)光波導傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入硅光波導的菲涅耳反射損耗；從而大幅度降低硅光波導的損耗。
2.按權利要求1所述的一種降低硅光波導損耗的方法，其特征在于所述的氫氣氣氛中的高溫烘烤的工藝步驟是(1)在硅光波導放入高溫反應爐前，采用半導體標準清洗工藝對波導進行清洗；(2)HCl氣體在1150～1250℃刻蝕硅光波導表面0.5～2分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；(3)在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內烘烤硅光波導10分鐘～20小時，以改善波導表面狀況。
3.按權利要求1所述一種降低硅光波導損耗的方法，其特征在于所述的在硅光波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜的具體工藝步驟是(1)用硅拋光工藝將硅光波導的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無破缺的狀況；(2)采用半導體標準清洗工藝對硅光波導進行清洗；(3)利用離子束輔助沉積技術，在硅光波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，材料折射率控制在1.82～1.95。
4.按權利要求1所述的一種降低硅光波導損耗的方法，其特征在于氧化鉿增透膜的沉積速率0.1～0.8nm/s。
5.按權利要求1或2或3所述的降低硅光波導損耗的方法應用于降低硅平面光波導、硅脊型光波導以及硅全內反射光波導各種類型硅光波導的損耗，或應用于降低多模波導干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導多種硅光波導無源器件的損耗。
6.一種降低基于絕緣體上的硅材料的光波導損耗的方法，其特征在于首先通過氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善SOI光波導的波導表面狀況，實現(xiàn)光波導傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入SOI光波導的菲涅耳反射損耗；從而大幅度降低SOI光波導的損耗。
7.按權利要求6所述的一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法，其特征在于所述的氫氣氣氛中的高溫烘烤的工藝步驟是(1)在SOI光波導放入高溫反應爐前，采用半導體標準清洗工藝對波導進行清洗；(2)HCl氣體在1150～1250℃刻蝕SOI光波導表面0.5～2分鐘，以去除波導表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；(3)在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內烘烤SOI光波導10分鐘～20小時，以改善波導表面狀況。
8.按權利要求6所述一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法，其特征在于所述的在SOI光波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜的具體工藝步驟是(1)用硅拋光工藝將SOI光波導的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無破缺的狀況；(2)采用半導體標準清洗工藝對SOI光波導進行清洗；(3)利用離子束輔助沉積技術，在SOI光波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，材料折射率控制在1.82～1.95。
9.按權利要求6所述的一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法，其特征在于氧化鉿增透膜的沉積速率0.1～0.8nm/s。
10.按權利要求6或7或8所述的降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導損耗的方法應用于降低SOI平面光波導、SOI脊型光波導以及SOI全內反射光波導各種類型SOI光波導的損耗，或應用于降低多模波導干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導多種SOI基光波導無源器件的損耗。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種降低硅光波導，或基于絕緣體上的硅材料光波導損耗的方法，其特征在于首先通過氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導或SOI光波導的波導表面狀況，顯著抑止光在波導結構中傳輸時的散射損耗，實現(xiàn)光波導傳輸損耗的降低；然后再利用離子束輔助沉積技術，在波導的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入光波導的菲涅耳反射損耗；關鍵的技術途徑為(1)將制備的硅光波導或SOI光波導置于氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內烘烤10分鐘～20小時；(2)利用離子束輔助沉積技術，在硅光波導或SOI光波導的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，沉積速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。
文檔編號G02B6/10GK1560655SQ200410016630
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權日2004年2月27日
發(fā)明者張峰, 林志浪, 王永進, 程新利, 曹共柏, 張 峰 申請人:上海新傲科技有限公司