阵列波导光栅制作关键技术

３ ． ２ Ａ Ｗ Ｇ图形 的激光直写光刻技术 Ａ ＷＧ 的尺 、 Ｊ 精度要求在亚微米节级，这就对光刻分辨率提 出了高的要求 。为减少光刻工艺误差 ，我们实验
研 究 了用 激 光 直 写 系统 直接 在 光 波 导上 制 作 Ａ ＷＧ 形 的 方法 ，取 得 了预 期 的 实验 结 果 。
率 高 、集成 度 高 。 同时 ，Ａ Ｗ Ｇ 作 为 平面 光 波 导器 件 ，也 代表 着 未 来 光路 集 成 的 发展 方 向。
目前，国外只有少数机构能进行 Ａ ＷＧ 晶片的研制工作，市场上 Ａ ＷＧ 型波分复用器 的价格也十分 昂贵 ；国
内 的研 究 者也 不 少 ，但 至 今 Ａ ＷＧ 晶片 尚未 实现 商 用 化 。
蚀Ａ Ｗ Ｇ的可行 性 。
关键词：阵列波导光栅 ；关键 工艺；激光直写光刻；Ｉ Ｃ Ｐ 反应 离子刻蚀
１ 引 言
密集波分复用技术 （ Ｄ ＷＤＭ） 是解决大容量光通信 的有效手段之～。自 １ ９ ９ ５年商用 以来 ， Ｄ ＷＤ Ｍ 发展速度 非 常迅 猛…，每 年 的 ＯＦ Ｃ 会 议 都会 报 道最 新 的 ＤＷＤＭ 系统 传 输试 验 。ＤＷＤＭ 的进 步 带动 了相 关器 件 产 业 的飞 速发展 ，因为 Ｄ ＷＤ Ｍ 向大容量、高速率方 向发展对处于光物理层的器件提出更高 的要求 。在这些器件 中，波分 复用／ 解复用器直接决定着 Ｄ ＷＤ Ｍ 的通道数，其性能限制着 Ｄ ＷＤ Ｍ 系统的传输速率，显得尤为重要 。 波分复用器件 的种类 很多 Ｊ ， 目前光通信市场上较 为看好 的主要有 窄带介质膜滤波器 、光纤布拉格光栅 、阵 列波导光栅（ Ａ ＷＧ ） 、全息光栅 以及 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｌ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ 。和其他波分复用器相 比，Ａ ＷＧ的突出优点是通道数大、波长分辨
位相地进入阵列波 导中：而相邻阵列波导间有一个固定长度差 ￡ ，从而，对 同一波长而言产 生一定的位相差：
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光 子 技 术
Ａ０＝ｋ ｏ ． ｎ ．
（ １ ）
式 中， 为真空中的波 数，ｎ 为阵列波导的模折射率。这样 ，从阵列波 导Ｌ ］ 出来的、具仃不同位相的同波 Ｋ光束 将在输出平板波 导的聚焦面上干涉 聚焦 。不同波长的光束 由于位相差异，将聚焦于不 的位簧 ，从 ｍ Ｊ 实现解复用
能用于制作 Ａ ＷＧ 的材料很 多， 目前常用的有二氧化硅、硅、聚合物、磷化铟、铌酸锂等。这些材料各有优 缺 点，我们设计时考虑采用二氧化硅 。因为二氧化硅与光纤材料相同，耦合效率高；另外原材料造价低廉， 目 ＿ 性 能较稳定；我们实验室长期从事微光学研究，了解二氧化硅的特性 ，也对其工艺处理积 累了一定的经验。 用微细加工手段制作 Ａ ＷＧ，主要误差来源于波导尺寸误差 （ 包括 厚度误差、宽度误差 ）以及折射率误差 。 这几种误差导致 的直接后果是，各通道的中心波长 发生漂移，插入损耗急剧增加 。按照 Ｉ Ｔ Ｕ— Ｔ以及 围家标准ｌ ｏ Ｊ ，
的有 关 建议 标 准 Ｃ Ｇ６ ９ ２ ） ，即 以 １ ９ ３ ． １ Ｔ Ｈｚ （ １ ５ ５ ２ ． ５ ２ ｎ ｍ ）为标 准 频率 ，１ ０ ０ ＧＨｚ为 间隔 的标准 工 作 波 长 ，对 于 １ ６ 通道 Ａ Ｗ Ｇ 器件 ，通 道 间 隔为 １ ０ ０ ＧＨｚ （ 约０ ． ８ ｎ ｍ） 。
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第 ２期 （ 总第 ４ 期）
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利用 Ｐ Ｅ Ｃ ＶＤ 沉 积 得到 的膜 层 可 以满足 光 导 波 的要 求 ，我 们 先后 在 兰 州 大学 和 英 国 Ｏｘ ｆ ｏ ｒ ｄ仪 器 公司 开 展 了波 导 膜 沉积 实 验 研 究 。表 １ 给 了我 们 利 用 英 国 Ｏｘ ｆ ｏ ｒ ｄ公 司 的 Ｐ Ｅ Ｃ ＶＤ 设 备制 作 的 Ｓ ｉ Ｏ２ 光波 导膜 层 工 艺参 数 。
表１ Ｐ Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ制作 的 Ｓ ｉ ０ ， 波导膜 层测试指标
ＮＯ ．
Ｃｌ ａ ｄ Ｃｏ ｒ ｅ
薄膜 厚度
１ ０ ｕ ｍ １ ０ ｕ ｍ
时
４ ０ ｍｉ ｎ ４ ０ ｍｉ ｎ
沉 积速 率均匀性
±０ ． ８ ９ ％ ±０ ． ８ ９ ％
折射率 均匀性
Ｓ ｉ ｌ４ ＋０２ ＝Ｓ ｉ Ｏ２ Ｊ ， ＋ ２ Ｈ２ Ｏ １ 、 ，ｔ ￣３ ＞ ０ ０ ￣ Ｃ
（ ２ ）
该方法的特 点是 ：在一定的氧气流下，沉积速率主要取决于 Ｓ ｉ ｝ ｛ ４ 的浓度并与其成 正比，一 旦 Ｓ ｉ ｌ ４ 的浓度增 加到使衬底附近 处混合气氛 中的氧气基本被耗尽 ，速率将趋于饱和 ，这 时要想提高速率，必须增加氧气 的流量 。 但氧气增加到一定的程度，沉积速率仍然会趋于饱和，因为大量 的氧气附着在表面 ，妨碍 了 Ｓ ｉ ｝ ｛ ４ 的进一步反应 。
若要 掺 杂 ，只 需在 反 应 室 中注 入 磷烷 、锗烷 、砷烷 等 等 。比如 为提 高 波 导 的折 射 率 ，存 其 中 掺 入 Ｇ ｅ Ｏ２ ，则
需注入 Ｇ ｅ ｝ ｛ ４ ，反应式为：
Ｇｅ Ｈ４ ＋０２ ＝Ｇｅ Ｏ２ Ｊ ， ＋ ２ Ｈ２ Ｏ １ 、
Ｃ ３ ）
Ｃ Ｖ Ｄ 设备经过多年 的研 究改进 ，目前较为流行 的 Ｐ Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ是一种射频辉光放 电的物理过程和化学反应相结合 的技术。我们知道 ，气体 由于受到紫外线等宇宙射线的辐射 ，总不可避免有轻微的电离 ，存在 ‘ 些杂散的电子 ， 因此 ，当反应气体引入可以维持辉光放 电的反应室 内并开启射频 （ 数 ｋ Ｈ ｚ ． １ ＭＨ ｚ ）电源时 ，这些 电子就会存 电场 的加速作用下获得能量 ，当它和气体中的原子或分子发生非弹性碰撞时，有可能使之 电离产生二次 电子，这…过 程反复进行，结果是产生大量的电子和 正离子，并通过电子 附着过程还会出现负离子 ，但期间正、负电荷总数却 是处处相等 ，即反应室放 电区 内的气体处于所谓等 离子体状态 。
为通 道频 率 间 隔 ，Ｄ、 ｄ为 输 入／ 输ｊ ｝ Ｊ 波 导 以搜 阵 列波 导的最 小 辐 ， 厂 为半 板 波 导的聚 、 ｝ ， Ｉ ｌ ｌ 为 此栅甜 射级 数 ，
Ｘ Ｆ Ｓ Ｒ 为 自由光谱范围，１ ７ 为阵列波 导数等。 其中，波导芯层尺寸和掺杂浓度是密切相关 的两个量 ，它们直接决定着波 导的传输模式和最小弯 曲半径 。经 过分析与比较 ， 我们确 定波导材料折射率差 为 Ａ ＝０ ． ７ ５ ％。考虑到波导模式结构 、传输损耗以及波导结构尺寸与微 细加工误差的关系等 因素 ，确定波导芯层尺寸 为 ４ ． ５ ｕ ｍＸ４ ． ５ ｉ ｘ ｍ。Ａ ＷＧ的工作波长满足国际电信联盟 Ｃ Ｉ Ｔ Ｕ — Ｔ ）
Ａ ＷＧ的图形尺寸在微米量级 ， 微小的加工误 差都会对 Ａ ＷＧ 的性 能产生较大的影响 ， 为了保证中心波长漂移
小于通道ＷＧ制作公差。在 Ａ ＷＧ 光波 导的尺寸精度 、波导折
射 率精确度Ｉ ４ 要求高的情况下，按照加工误差容限的要求，在微细加工技术的基础上开展了 Ａ ＷＧ 关键工艺单元 技术实验，通过波导膜层制备 、激光直写光刻、Ａ ＷＧ 图形刻蚀传递及光纤耦合技术等 的实验研 究，取得 了初步 的实验结果。研究 ＿ ［ 作为 Ａ ＷＧ制作 以及在 系统 中的应用奠定 了基础 。
的功 能 。
Ａ ＷＧ 做复用器使用时原理类似于多光束耦合器，其作用是将 负载信号的不 同波长的光载波复合进 同一根光
纤 中传输 。
我们建立 了 Ａ ＷＧ 模型【 ，用于决定 Ａ ＷＧ 的结构参数： Ｌ为阵列波导长度差 ， ｌ ＼ 【 】 为 ｌ ｆ ｊ 心波 Ｋ， １ ｊ ，
激光直写系统采用聚焦光斑扫描方式实现光刻曝光，由计算机根据设计 图形 的量化数据控制光点的开和关，
从 而 在 光刻 胶 卜写 出 值 图形 。激 光 直 写 系统 的分 辨 率取 决 于聚 焦 光斑 尺 寸 、数 据 量 化 间 隔 、曝 光速 度 以及 曝光 强 度 与显 影 的优 化 组 合 ＿ ／ Ｊ 。针对 Ａ Ｗ Ｇ 图 形 的特 点 ，我 们 研 究 了提 高 分辨 率 的方 法 。Ａ ＷＧ 图形 中阵列 波 导 与平 板 波 导 的连 接 处 为相 交 的抛 物 线 形 ，是 整 个光 刻 的 关键 处 理 点 ， 图形 的最 小 尺 寸小 于 ０ ． ５ ｔ ａ ｍ ，直接 采 用 通 常激 光 直 写 光刻 法 实现 这 样 的微 细 结 构 已经 不 可 能 （ 我 们采 用 的 Ｉ Ｓ Ｉ 一 ２ ８ ０ ２ 激 光直 写 系统 聚焦 直 径 为 ０ ． ６ ８ ｔ ａ ｍ） ，见 图
３ Ａ ＷＧ制作的关键单元技术
３ ． １波导膜层的制备 波导膜层的制备方法有很多，比如真空镀膜、离子注入、溅射 、外延生长 、火焰水解 、化学气相沉； ｆ ｑ （ Ｃ Ｖ Ｄ）
等等。考虑到我们要制作的波导膜层 的特 点：膜层厚、致密性 、均匀性要好、膜层厚度要精确可控 、要求掺杂等
等 ，我们决定采用 Ｃ Ｖ Ｄ设备制作波导膜层。 相对于其他薄膜制作方法 ，Ｃ Ｖ Ｄ设备制作波 导膜层具有 以下几个优点ｌ ｊ 】 ：样品本身不参与反应、反应温度较 低、在稳定情况下 ，薄膜 的厚度与时间成正比等 。制作 Ｓ ｉ Ｏ ２ 膜的Ｃ Ｖ Ｄ 方法很多 ，常采用的方法是硅烷热氧化沉 积 ，其将硅烷在氧气氛中加热 ，反应生成 Ｓ ｉ Ｏ ２ ，反应式为：
波 分 复用 器 的 中心 波 长漂 移 不 能 大 于通 道 间 隔 的 ２ ０ ％。
我们设计 了 ４ 、８ 、１ ６ 通道 的 Ａ ＷＧ，并给 出了制作 公差 。对于 ８ 通道 Ａ ＷＧ宽度、厚度及折射率制作公差分 别为： Ａ ｗ ＜ ±０ ． ３ １ ｉ ｘ ｍ， Ａ ｔ ＜ ±０ ． ３ ２ ｉ ｘ ｍ， Ａ Ｆ ／ １ ＜ ±０ ． Ｏ Ｏ Ｏ ４ 。这给制作提出了高要求 。
２ Ａ Ｗ Ｇ 的模型及设计