加载条形波导的波导布拉格光栅及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成光学器件技术领域，具体涉及一种波导布拉格光栅及其制造方法。
【背景技术】
[0002]与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行滤波，这就需要波导布拉格光栅来实现。基于波导布拉格光栅可构成模式转换器、模式分束器、模式上下路复用与解复用器等器件，是实现高速模分复用技术的核心器件。基于波导布拉格光栅还可构成超窄线宽波导布拉格光栅外腔半导体激光器，是相干光通信系统的理想光源。波导布拉格光栅又称短周期波导光栅，是光纤通信系统中最重要的无源器件之一。
[0003]均匀型PLC波导布拉格光栅可应用于光栅传感器、光栅滤波器、栗浦激光器锁波长;切趾型PLC波导布拉格光栅可应用于DWDM滤波器、光栅传感器、波分复用/解复用模块；啁啾型PLC波导布拉格光栅可应用于FTTH反射器、增益平坦滤波器、光栅传感器、光栅滤波器、色散补偿模块;基于波导布拉格光栅的可调谐外腔半导体激光器具有业界最窄的线宽，广泛应用于高速100G和400G及以上相干光通信系统、声(地震)干涉型光纤传感、布里渊分布式温度和应变传感器、光纤激光器的种子源、激光雷达、高精度度量、射频和微波光子学等领域;基于波导布拉格光栅的模式转换器、模式分束器、模式上下路复用与解复用器将在高速模分复用通信系统中扮演重要角色，市场潜力巨大。
[0004]随着半导体工业的发展，光刻、刻蚀、薄膜生长等微电子技术的提高，陆续地出现了一系列新颖的PLC波导布拉格光栅的制作工艺，下面主要介绍几种主流的PLC波导布拉格光栅的制作方法。
[0005](I)基于条形波导的侧面调制型波导布拉格光栅
[0006]整个工艺过程可以分为四步:一、采用PECVD在石英衬底上生长芯层;二、通过光刻将设计的光栅版图转移到光刻胶上;三、通过ICP刻蚀将图形转移到芯层上；四、通过PECVD生长上包层，制作出我们需要的芯片。这种技术制作的波导布拉格光栅存在一些缺点:一、由于普通紫外光刻的最小线宽较大，而光栅的调制深度又只能大于光刻的最小线宽，因而无法实现光栅的弱调制，即光栅的频谱带宽较大，无法实现窄带滤波;二、这种制作方法的工艺容差较小，光栅调制深度的微小变化会带来光栅频谱带宽和反射率的较大变化，工艺稳定性较差，不利于进行大规模生产。
[0007](2)基于条形波导的底面调制型波导布拉格光栅
[0008]整个工艺过程可以分为六步:一、通过光刻将设计的二维平面光栅图形转移到光刻胶上；二、通过ICP刻蚀将此图形转移到石英衬底上;三、采用PECVD在石英衬底上生长芯层，将此图形转移到芯层上；四、通过光刻将设计的条形直波导图形转移到光刻胶上;五、通过ICP刻蚀将此图形转移到芯层上;六、通过PECVD生长上包层，制作出我们需要的芯片。这种技术制作的波导布拉格光栅存在一些缺点:一、由于ICP刻蚀存在一定的刻蚀深度误差，而此光栅的调制深度又取决于ICP刻蚀的刻蚀深度，因而无法实现光栅的弱调制，即光栅的频谱带宽较大，无法实现窄带滤波;二、这种制作方法的工艺容差较小，ICP刻蚀深度的微小变化会带来光栅频谱带宽和反射率的较大变化，工艺稳定性较差，产品均匀性难以保证；
三、这种制作方法需要采用两次光刻，对套刻精度要求较高，工艺较复杂，同时也增加了工艺成本。
[0009](3)基于脊形波导的外脊调制型波导布拉格光栅
[0010]整个工艺过程可以分为六步:一、采用PECVD在石英衬底上生长芯层;二、通过光刻将设计的脊形波导图形转移到光刻胶上;三、通过ICP刻蚀将脊形波导图形转移到芯层上；
四、通过光刻将设计的光栅图形转移到光刻胶上；五、通过ICP刻蚀将光栅图形转移到芯层上;六、通过PECVD生长上包层，制作出我们需要的芯片。这种技术制作的波导布拉格光栅存在一些缺点:一、这种制作方法需要采用两次光刻，对套刻精度要求较高，工艺较复杂，同时也增加了工艺成本;二、由于此种结构的光栅分布在脊形波导的外脊平板区，而脊形波导结构中的光场能量在外脊平板区分布较少，因而此种光栅耦合系数较小，从而只有当光栅长度较大时才能实现较大的反射率，所以这种光栅的尺寸较大，不利于与其它光器件进行集成，在单个晶圆上一次可以制作的器件数量较少，单个器件成本较高。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的是现有波导布拉格光栅制作技术中工艺容差小、工艺复杂、尺寸大、成本较高、产品一致性难以保证、不适合大规模量产等技术问题，从而提供一种与半导体工艺兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、工艺简单、工艺容差大、适合大规模生产的波导布拉格光栅及其制作方法。
[0012]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下:
[0013]一种基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅，包括基底层、平板芯层、引导芯层和上包层，所述平板芯层覆盖在基底层的正面上，引导芯层位于平板芯层的正面上，上包层覆盖在平板芯层的正面并将引导芯层包裹。
[0014]所述基底层的材料为石英玻璃材料;所述平板芯层的材料为掺杂锗的二氧化硅材料，折射率为1.46566-1.4801;所述引导芯层的材料为掺杂锗的二氧化硅材料，折射率为
1.450498-1.45483;所述上包层的材料为掺杂硼、磷的二氧化硅材料。
[0015]所述引导芯层的折射率小于平板芯层的折射率。
[0016]所述引导芯层由条形波导和布拉格光栅两部分组成，布拉格光栅分布在条形波导的一个侧面或两个侧面上。
[0017]所述引导芯层中的布拉格光栅的周期是均匀的或非均匀的;所述引导芯层中的布拉格光栅的切趾类型是非切趾的或切趾的。
[0018]基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅的制造方法，步骤如下:
[0019]步骤S1:对基底层表面做清洗处理，所述基底层为石英晶圆；
[0020]步骤S2:采用PECVD淀积厚度为l-2um的平板芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350°C，上电极低频射频功率为200-700W，上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为10-20sccm，一氧化氮气体流量为1800-2000sccm，锗烷气体流量为3.6-5.6sccm，沉积速率为180-230nm/min ；
[0021 ] 步骤S3:对平板芯层进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100 V，退火时间为3-5小时；
[0022]步骤S4:对平板芯层表面做清洗处理；
[0023]步骤S5:采用PECVD淀积厚度为4-8um的引导芯层I;其中，其中，PECVD设备的腔室气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350°C，上电极低频射频功率为200-700W，上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为15-30sccm，一氧化氮气体流量为1800-2000sccm，锗烧气体流量为1.3-2.4sccm，沉积速率为180-230nm/min;
[0024]步骤S6:在引导芯层I表面形成掩模层；
[0025]步骤S7:在掩模层上旋涂一层正性或负性的光刻胶层，然后对光刻胶层做前烘处理并自然降温；
[0026]步骤S8:对光刻胶层进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光刻胶层上；
[0027]步骤S9:采用ICP刻蚀掩模层，以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层上的光刻胶层；
[0028]步骤SlO:采用ICP刻蚀引导芯层I，以形成宽度为4-8um的引导芯层；
[0029]步骤SII:去除引导芯层上的掩模层；
[0030]步骤S12:采用PECVD淀积厚度为5-8um的掺硼、磷的第一上包层，然后对掺硼、磷的第一上包层做高温回流处理;其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365°C，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为5 %-10%,磷烷和氮气混合气体流量为20-45sCCm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10% ;回流温度为900-1100 °C，回流时间为5-10小时；
[0031]步骤S13:重复三次步骤S12，直至生长出厚度为15-24um的上包层；
[0032]步骤S14:利用紫外固化胶将尺寸大小与石英晶圆完全一样的玻璃盖板粘贴在石英晶圆制作有器件的那一面；
[0033]步骤S15:利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个波导布拉格光栅。
[0034]在步骤S6中，所述掩模层为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射生长的金属掩模层或光刻胶掩模层。
[0035]在步骤11中，利用湿法腐蚀去除引导芯层上的多晶硅掩模层或金属掩模层;利用ICP刻蚀去除引导芯层上的光刻胶掩模层。
[0036]本发明中采用成熟的基于二氧化硅的平面光波导技术，所以有利于与现有成熟工艺实现无缝对接，不用额外增加研发投入而节约开发成本。基底层材料选择石英玻璃材料，这种材料耐热性好，透明度高，具有优良的光学一致性。上包层材料选择掺杂硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在高温回流时具有良好的流动性。平板芯层和引导芯层选择掺杂锗的二氧化硅材料，这种材料折射率均匀性和膜厚均匀性较好，经高温退火后薄膜的应力较小，且具有较小的光传输损耗。本发明相比于基于条形波导的侧面调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺容差大、光栅频谱宽度窄等优点，相比于基于条形波导的底面调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺简单、成本较低、产品一致性较好、适合大规模生产等优点，相比于基于脊形波导的外脊调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺简单、成本较低、尺寸小等优点。
【附图说明】
[0037]图1为本发明的基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅的横截面的结构图。
[0038]图2为本发明的波导布拉格光栅的俯视图，其中2-a为均匀型布拉格波导光栅的俯视结构图，2 - b为切祉型布拉格波导光栅的俯视结构图，2 - c为啁啾型布拉格波导光栅的俯视结构图。
[0039]图3为本发明的基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅的制作方法流程图。
[0040]图4为本发明的基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅制作方法的工艺流程图。
[0041]其中，1:上包层；2:引导芯层;3:平板芯层;4:基底层;5:引导芯层I;6:掩膜层；7:
光刻胶层。
【具体实施方式】
[0042]实施例1:如图1所示，一种基于S12加载条形波导的波导布拉格光栅，包括基底层
4、平板芯层3、引导芯层2和上包层I，所述平板芯层3覆盖在基底层4的正面上，所述引导芯层2位于平板芯层3的正面上，所述上包层I覆盖在平板芯层3的正面并将引导芯层2包裹。
[0043]其中，基底层4的厚度为500μπι-1500μπι，平板芯层3的厚度为lum-2um，引导芯层2的厚度为4um-8um，上包层I的厚度为15-24um。所述基底层4的材料为石英玻璃材料，所述平板芯层3的材料为掺杂较高浓度锗的二氧化硅材料，折射率为1.46566-1.4801。所述引导芯层2的材料为掺杂较低浓度锗的二氧化硅材料，折射率为1.450498-1.45483