专利名称：光波导及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光波导(如平面光波回路)及其制造方法，具体来说，涉及其中通过淀积形成用于发送光的一个芯部的光波导及其制造方法。
背景技术：
随着对于各种通信如因特网的要求的不断增长，通信网络也在扩展，因此节点配置趋向复杂化，要求每个节点都能实现各种类型的高水平处理。在这种情况下，注意力转向能够实现处理但又不需要将光信号转换成电信号的光学切换技术。为了实现光通信系统，适合于集成的平面光波回路(PLA)技术很有前途。
适合于集成的平面光波回路技术通常配置成能够通过多个无源的光波导来传送光，这些光波导例如有光波长多路复用器/多路分配器、色散补偿器、用于光纤放大器的增益均衡器、光开关等。结果，光的传播长度变得越来越长，因此不可避免地要对这些无源器件中的传播损耗进行抑制。然而，却存在如下的事实与光纤的传播损耗相比，在具有平面光波回路的光波导中的传播损耗极大。因此，如果串联连接一系列这样的光波导投入使用，将产生严重的传播损耗问题。
图1表示具有传统的平面光波回路的光波导的剖面结构的主要部分。在基板11上，形成一个下包层12，下包层12按规定的厚度构成包层的下半部分。在下包层12上，形成一个芯部13，并且进一步形成一个上包层14以覆盖芯部13的周围。
在这种类型的光波导中，虽然基板的表面有足够的光洁度，但当形成的下包层超过一定厚度时，这个表面将变得具有细微的不规则性。然后当在下包层12上形成芯部13的时候，将在它们的边界形成米氏散射。所谓的米氏散射意指在物体表面上具有微米量级的不规则性的光散射，这种光散射相对于波长不能忽略。在下包层12和芯部13之间的边界上的散射损耗是传播损耗的一个重要来源。为了解决这个问题，按照传统方式，要对下包层12的表面进行光学抛光使其成为光滑的表面，在这个抛光步骤之后再形成芯部13。
然而，利用光学抛光，使光波导的制作效率下降，因而降低了批量生产的效率。进而，要求实现生产管理，以使在各个光波导中，经过光学抛光的表面粗糙度趋于一致，这给管理工作带来麻烦。为了解决这个问题，例如在日本公开专利申请No.6-235837(第 、 段、图4A)中提出了一种技术，其中建议在包层和芯部之间的边界形成一个平滑层以防止光散射，这是第一种建议。
图2表示的是按照这个第一建议的光波导的剖面结构的主要部分。用作光波导的包层的玻璃基板21的折射率为n1，在它的表面上存在微小不规则部分22。将玻璃基板21干燥，然后投入焙烧设备中，之后在规定的温度下烧制溶胶玻璃材料并且使其硬化，借此使具有平滑表面的平滑层23与玻璃基板21形成一个整体。平滑层23的折射率n2几乎等于折射率n1。在平滑层23的表面上通过溅射淀积麻粒玻璃7059(产品名)，从而形成具有折射率n3的芯部24，折射率n3大于折射率n1和折射率n2。
在图2中所示的光波导中，溶胶玻璃材料是通过旋涂法或类似方法进入玻璃基板21的表面上的微小不规则部分22中的，因此使该表面光滑。然而，按这种方式形成的光波导却引起大的极化依赖性问题，这个大的极化依赖性(polarization dependency)问题是由于基板21受到畸变应力的影响产生翘曲引起的，所说的畸变应力是基于平滑层23和芯部24以及玻璃基板21的热膨胀系数的差别产生的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种光波导，它能够防止在包层和芯部之间的边界上的光散射，并且能够减小极化依赖性(极化依赖性损耗；PDL)。
为了实现上述的目的，按照本发明的光波导包括用于传播光信号的芯部；和，一对彼此相对设置的第一包层和第二包层，在两个包层之间设置所述芯部。其上叠加芯部的第一包层在接触芯部的界面一侧具有一个多层膜，所述多层膜具有多层结构，在多层结构中的多种材料之间存在畸变应力。
按照本发明，第一包层在接触芯部的界面一侧设有一个多层膜，形成多层膜具有多层结构，在多层结构中的多种材料之间存在畸变应力。由此，第一包层的支撑芯部的表面变得平直，这样可防止在第一包层和芯部之间的边界出现光散射。进而，还可以抑制在叠加薄膜结构时在包层中或在支撑包层的基板中出现的翘曲，借此可减小极化依赖性。
进而，优选按照本发明的光波导是通过如下的步骤制作的形成第一包层；在第一包层上叠加多种材料以形成多层结构；在多层结构上叠加芯部；以及在其上形成有芯部的第一包层上叠加第二包层。在叠加多种材料的步骤中，通过退火在多种材料之间产生畸变应力。
如以上所述，在本发明中，在第一包层上叠加多种材料，以使它们之间产生畸变应力。借此，其上叠加有芯部的多层结构的表面变得平直，这样可防止在第一包层和芯部之间的边界上的光散射。进而，还可以抑制在叠加薄膜结构时在包层中或在支撑包层的基板中出现的翘曲，借此可减小极化依赖性。
如以上所述，在本发明中，第一包层设置有多层膜，由此可维持第一包层和芯部之间的边界面平直，从而防止光散射现像。进而，当形成多层膜时，热畸变应力在膜结构内部减弱，借此可抑制包层或基板的翘曲，减小极化依赖性。
图1是表示使用传统的平面光波回路的光波导的主要部分的剖面图；图2是表示在制造按照传统实例的光波导的过程中部分结构的主要部分的剖面图；图3是表示按照本发明的第一实施例的光波导的主要部分的剖面图；图4是表示按照本发明的第一实施例的放大多层膜周围的一部分后的主要部分的剖面图；图5是表示光波导的主要部分的剖面图，其中由第一膜和第二膜构成的多层膜是在下包层上形成的；图6是表示按照本发明的第一种变更实施方式的光波导的主要部分的剖面图；图7是表示按照本发明的第二种变更实施方式的光波导的主要部分的剖面图。
具体实施例方式
下面详细描述本发明的一个实施例。
图3表示按照本发明的第一实施例的光波导的剖面结构的主要部分。这个光波导100包括在基板101上形成的下包层102。下包层102的表面有微小的没有示出的不规则部分。在下包层102上形成一个多层膜103，在多层膜103上的规定位置形成一个芯部104。在芯部104上和其周围形成上包层105。光波导由下包层102、多层膜103和在芯部104周围的上包层105形成。
多层膜103具有多层结构，其中在多种材料之间存在畸变应力，接触芯部104的膜表面是平直的。
下包层102对应于第一包层，其上叠加芯部。进而，上包层105对应于叠加在第一包层上以覆盖芯部104的第二包层。下文中，第一包层指的是下包层102，第二包层指的是上包层105。
图4表示的是光波导的多层膜的周围的部分的放大的视图。如图4所示的多层膜103形成的膜结构包括一系列具有不同软化温度(熔化温度)的材料，以便形成在多种材料之间存在畸变应力的多层结构。在多层膜中相互叠加的层膜之间，利用高软化温度的材料形成在下包层102一侧的层膜，将这些膜表示为第二膜112。利用较低软化温度的材料形成在芯部104一侧的其余的层膜，将这些膜表示为第一膜111。进而，将下包层102一侧的膜112的膜厚度设置为较厚，将在芯部104一侧的膜111的膜厚度设置为较薄。
构造多层膜103以使不容易高温退火(即软化温度高)的第一膜111和熔化温度低的第二膜112轮流叠加多次。在本实施例中，叠加三对第一膜111和第二膜112。第一膜111比第二膜112薄，并且由不易高温退火的材料制成。第二膜112由熔化温度(软化温度)低的材料制成。这里，所说的退火意指排除在通过加热到一定温度的成型过程中引起的畸变的过程。在本实施例中，在约800℃到1100℃的氧气气氛中实现热处理。
在本实施例中，图3中所示的基板101由硅材料(Si)形成，其厚度为0.8mm。基板101可由除硅以外的半导体或绝缘材料形成，如由石英玻璃制成。下包层102和上包层105可由BPSG制成，BPSG是一种混合物，包括B(硼)、P(磷)、SG(石英玻璃SiO2)。第一膜111是由NSG(非掺杂的SiO2)或PSG制成，PSG是P(磷)和具有低磷浓度的SG(石英玻璃SiO2)的混合物。膜厚度例如是0.15微米。第二膜112是一种石英玻璃层，由BPSG、BSG(B(硼)和SG(石英玻璃SiO2)的混合物)或GPSG制成，GPSG是Ge(锗)、P(磷)和SG(石英玻璃SiO2)的混合物。第二膜的膜厚度例如是0.5微米。进而，第一膜111和第二膜112具有与下包层102和上包层105几乎相同的折射率。与芯部104相比，所述数值较小。换句话说，假定芯部104的折射率是n3，多层膜102的折射率是n2，则要进行设定以满足条件n3＞n2。
芯部104具有矩形的横截面，例如，其高度和宽度分别为5.5微米，并且由GPSG或类似材料制成。在芯部104和下包层102以及上包层105之间的折射率之差例如为0.65％。
虽然芯部104具有矩形横截面，但并不限于这种结构，可以按照各种方式对其进行修改。此外，虽然所形成的多层膜103的膜结构由选自石英玻璃、添加磷的石英玻璃、添加硼的石英玻璃和添加锗的石英玻璃中的至少两种不同的材料制成，但是并不限于这种结构。所形成的多层膜103的膜结构可以由选自石英玻璃和添加磷、硼、锗等添加剂的石英玻璃中的至少两种具有不同材料特性的材料制成。
由NSG或类似物制成的第一膜111不易高温退火，因此加热熔化的可能性较小，从而可以很好地维持膜的形状。相比之下，由BPSG或类似物制成的第二膜112容易高温退火，因此加热熔化的可能性较大，从而膜形状容易变形。进而，如果这两种膜具有相同的厚度，在加热后冷却时，将在第一膜111中产生沿表面方向施加的拉伸应力。
这样，通过很好地配合其状态的第二膜112以及维持膜形状并且利用冷却时在表面上的张力促进平坦化的第一膜111的组合，能够有效地使得在下包层102上的微小不规则部分变平。然后，通过反复地叠加成对的第一膜111和第二膜112，可以累加每一对膜产生的表面平坦化的效果。
接下来，描述制造本发明的光波导的方法。首先，在厚度为0.8mm的硅基板101上，形成作为主要由二氧化硅制成的玻璃膜的下包层102，所述下包层102是由通过大气压力化学蒸气淀积法(AP-CVD)淀积的厚度为14微米的例如BPSG构成的。
在下包层102上，淀积厚度为0.15微米的第一膜111，然后再在第一膜111上淀积厚度为0.5微米的第二膜112。上述的淀积第一膜111和第二膜112的过程重复三次，然后，在约为800℃-11000℃的氧气气氛中进行高温退火。由此，可使多层膜103的上表面平坦化。
在按这种方式形成的多层膜103上，淀积高度(膜厚度)为5.5微米的芯部层，然后通过光刻法或反应离子蚀刻法(RIE)形成芯部104。芯部的宽度为5.5微米。然后，通过AP-CVD淀积膜厚度例如是15微米的由BPSG制成的上包层105以掩埋芯部104，由此形成由嵌入式光波导构成的光波导100。
图5表示一个光波导的主要部分，在光波导的下包层上形成一个包括一层第一膜和一层第二膜的多层膜，以此作为参照与上述的实施例进行比较。
如图5所示的光波导100A中的多层膜103A的膜厚度设定为1，这并没有达到不引起基板101或下包层102翘曲的上限值。
对于如图5所示的光波导100A，在下包层102上设置的第二膜112A只有一层，因此它的膜厚度必须有一定的值才能有效地吸收所说的不规则性。
然而，对于如图5所示的光波导100A，只利用加厚的第二膜112A不可能实现表面的平滑，因为构成第二膜112A的材料的特性与下包层102的材料的特性是相同的。
鉴于以上所述的，对于如图5所示的光波导100A，还要求加厚第一膜111A以维持总的表面状态。
然而，如果对于如图5所示的光波导100A，将第一膜111A加厚到超过一定的厚度，作用在表面方向的拉伸应力太大，当光波导冷却时产生表面翘曲的现像。
当产生翘曲时，沿下包层102的表面方向加到芯部的应力和沿垂直方向加到芯部的应力是不相同的，由此产生折射率的各向异性。由此，在光波导中产生极化依赖性，引起大的光传播损耗问题或类似问题。
另一方面，在如图所4示的实施例中，将没有达到不引起基板101或下包层102翘曲的上限值的多层模103的规定膜厚度分为3份。具有相等的1/3膜厚度的每一层膜都由成对的第一膜111和第二膜112构成。这样，具有规定膜厚度的多层膜103就由三对第一膜111和第二膜112构成。进而，将第一膜111的膜厚度设置成比第二膜112的膜厚度薄。
在如图4所示的实施例中，第一膜111和第二膜112具有不同的软化温度，因此通过退火在第一膜111和第二膜112之间引起畸变应力，相继地加大了平坦化的效果。
因此，这个实施例达到的平坦化效果比如图5所示的光波导100A要好。
(第一种变更实施方式)图6表示按照本发明的第一种变更实施方式的光波导的主要部分。在图3中和图6中所示的实施例的多层膜103中，由具有不同膜厚度的多种材料组合形成的多层膜结构是不相同的。在图3中所示的实施例中，将多个膜111的膜厚度设置成相等，并且将另外的多个膜112的膜厚度设置成相等并且比膜111的膜厚度厚。
另一方面，在图6所示的实施例中，多个膜111在垂直方向具有不同的膜厚度。另外的多个膜112在垂直方向也具有不同的膜厚度，并且将其设置成大于膜111的膜厚度。更加具体地说，第一种变更实施方式的光波导100B的结构是在下包层102上形成第二膜112B1，进而，在第二膜112B1上形成第一膜111B1。然后，在成对的这两个膜上形成另一对第二膜112B2和第一膜111B2，进而，在成对的这两个膜上形成下一对第二膜112B3和第一膜111B3。要说明的是，中间的这一对的膜厚度是最下边的这一对的膜厚度的两倍，上边的这一对的膜厚度是最下边的这一对的膜厚度的3倍。以此方式，通过形成所说的多层膜100B以使图中所示的上边的一对膜具有较大的膜厚度，当退火是在形成芯部104和上包层105之前进行时，可使得图中位置较下的层中通过加热实现的平坦化的效果较大，由此可有效地实现多层膜103B的平坦化。
(第二种变更实施方式)图7表示按照本发明的第二种变更实施方式的光波导的主要部分。第二种变更实施方式的光波导100C的结构是在下包层102上形成第一膜111C1，进而在第一膜111C1上形成第二膜112C1。然后，在成对的这两个膜上形成另一对第一膜111C2和第二膜112C2，进而，在成对的这两个膜上形成下一对第一膜111C3和第二膜112C3。以此方式，膜排列的顺序与上述的顺序相反。定位在第一膜111C1的正下方的下包层102容易通过加热熔化，与第二膜112类似。因此，在高温退火后冷却时，沿第一膜111C1的表面方向的拉伸应力可促进表面的平坦化。
如以上所述，第一膜111和第二膜112的排列顺序与图3所示的实施例相反。进而，第一膜111和第二膜112不一定非要成对设置或者按照相同的数量设置。例如，虽然在第二种变更实施方式中所形成的第一膜111C1与下包层102接触，但还可以按照下述方式构成在第二膜112C3上进一步还形成第一膜111C4(未示出)，然后在经过膜111C4进一步平坦化的多层膜103C上形成芯部104。
接下来，考虑一个范围，在这个范围内当改变第一膜111的膜厚度时膜厚度是有效的。一层第一膜111的膜厚度的上限如以上所述要在不产生翘曲的水平之内，所说的翘曲通过退火后的冷却在基板(图3)内产生极化依赖性。一层第一膜111的膜厚度的下限在本实施例和变更实施方式的情况下约为0.01微米。如果低于这个水平，难以在退火过程中维持膜的形状，不能促进表面的平坦化。
另一方面，第二膜112的每层膜厚度在本实施例和变更实施方式的情况下约为0.1微米或以上。如果低于这个厚度，由于太薄，不能通过熔化促进平坦化，并且如果不增加层数，则对于多层结构的平坦化效果较差。这将使生产效率较低。
接下来，尽管在本实施例和其变更实施方式中第二膜112比第一膜111厚些，让我们考虑两个膜的厚度的优选范围。根据实验发现，由NSG或PSG制作的第一膜111的厚度与由BSG或BPSG制作的第二膜112的厚度之比最好在1比3和1比20之间的范围。如果这个比例小于1比3，在应力释放方面不是很好，如果这个比例超过1比20，则在维持膜的形状方面不是很好。
在本实施例和上述变更实施方式当中，虽然在基板101上形成下包层102，并且在下包层102上形成多层膜103(103B、103C)，然而，基板101本身构成下包层102的结构也是可以接受的。进而，虽然本实施例及其变更实施方式的结构叠加了三对第一膜111(111B、111C)和第二膜112(112B、112C)，当然，层的数目不限于此。进而，虽然在上述的实施例中构成多层膜103的膜结构的多种材料是根据软化温度选择的，但不限于此。即，考虑材料的应力特性，可以选择具有不同应力特性的多种材料。
权利要求
1.一种光波导，包括设置在基板上的第一包层；设置在第一包层上的芯部，用于传播光信号；和设置在芯部上的第二包层，其中第一包层在接触芯部的一侧具有一个多层膜，和所述多层膜包括具有不同温度应力特性的多个膜。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述多层膜包括接触芯部的平直膜表面。
3.根据权利要求1所述的光波导，其中所述多层膜包括具有不同厚度的多个膜。
4.根据权利要求3所述的光波导，其中所述多层膜的沉积在第一包层一侧的那一层膜的膜厚度较厚，和所述多层膜的沉积在芯部一侧的那一层膜的膜厚度较薄。
5.根据权利要求3所述的光波导，其中所述多层膜的沉积在第一包层一侧的那一层膜的膜厚度较薄，和所述多层膜的沉积在芯部一侧的那一层膜的膜厚度是较厚。
6.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率是n3，所述多层膜的折射率是n2，并满足条件n3＞n2。
7.根据权利要求1所述的光波导，其中所述多层膜有两层，互相沉积在一起。
8.根据权利要求7所述的光波导，其中将所说的两层膜的膜厚度之比设置成在1∶3到1∶20的范围内。
9.根据权利要求1所述的光波导，其中所述多层膜包括由至少两种具有不同材料特性的材料构成的膜，所说的材料选自石英玻璃和添加有磷、硼或锗添加剂的石英玻璃。
10.一种光波导，包括设置在基板上的第一包层；设置在第一包层上的芯部，用于传播光信号；和设置在芯部上的第二包层，其中第一包层在接触芯部的一侧具有一个多层膜，和所述多层膜包括具有不同软化温度的多个膜。
11.根据权利要求10所述的光波导，其中所述多层膜包括接触芯部的平直膜表面。
12.根据权利要求10所述的光波导，其中所述多层膜包括具有不同厚度的多个膜。
13.根据权利要求12所述的光波导，其中所述多层膜的沉积在第一包层一侧的那一层膜的膜厚度较厚，和所述多层膜的沉积在芯部一侧的那一层膜的膜厚度较薄。
14.根据权利要求12所述的光波导，其中所述多层膜的沉积在第一包层一侧的那一层膜的膜厚度较薄，和所述多层膜的沉积在芯部一侧的那一层膜的膜厚度较厚。
15.根据权利要求10所述的光波导，其中所述芯部的折射率是n3，所述多层膜的折射率是n2，并满足条件n3＞n2。
16.根据权利要求10所述的光波导，其中所述多层膜有两层，互相沉积在一起。
17.根据权利要求16所述的光波导，其中将所说的两层膜的膜厚度之比设置成在1∶3到1∶20的范围内。
18.根据权利要求10所述的光波导，其中所述多层膜包括由至少两种具有不同材料特性的材料构成的膜，所说的材料选自石英玻璃和添加有磷、硼或锗填加剂的石英玻璃。
19.一种制造光波导的方法，包括如下步骤形成根据权利要求1所述的第一包层；在第一包层上叠加多种材料，以便使其具有根据权利要求1所述的多层结构；在所述多层结构上叠加根据权利要求1所述的芯部；和在其上形成有芯部的第一包层上叠加根据权利要求1所述的第二包层。
20.根据权利要求19所述的制造光波导的方法，其中在叠加多种材料的步骤中，通过退火在多种材料之间引起畸变应力。
全文摘要
提供一个用于传播光信号的芯部，以及一对彼此相对设置的第一和第二包层，在第一和第二包层之间设置所述芯部。其上形成有芯部的第一包层在接触芯部的界面一侧具有一个多层膜，所述多层膜具有多层结构，在该多层结构中，多种材料之间存在畸变应力。利用这种结构，可以在包层和芯部之间的边界防止出现光散射，还能减少极化依赖性。
文档编号G02B6/13GK1614452SQ20041009012
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月3日 优先权日2003年11月4日
发明者高桥森生 申请人:日本电气株式会社