第4章-光波导的制备技术

4.1光波导制作概述4.2光波导衬底材料及加工4.3无源材料光波导制备技术4.4有源材料光波导制备技术4.5光路几何图形的加工工艺4.6光刻技术4.7电子束扫描法4.8光波导加工技术4.9条形波导的制作方法第4章光波导的制备技术【目录】【本章教学目的和学习目标】第4章光波导的制备技术掌握制备光波导薄膜材料掌握光波导衬底材料的特性掌握无源材料光波导的制备技术掌握有源材料光波导的制备技术掌握光刻技术和工艺掌握光波导的加工技术掌握条形波导的制作方法掌握条形波导电极制作方法光波导的制备通常需要两个过程，首先是要制作光波导薄膜，然后在光波导薄膜上制作光波导器件最终形成集成光路。光波导薄膜的制作技术主要包括原子掺杂技术，淀积技术，外延生长技术和电光技术。通过这些技术可以制作出光波导薄膜。光路几何图形的微细加工技术主要包括化学腐蚀法刻蚀和离子束刻蚀。进行刻蚀的目的：一是规定光的传输方向，让光在通道上有效通过，二是在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便对光信号进行调制、分束、开关和探测。本章将在介绍光波导材料和衬底材料的基础上，重点讲述有源材料和无源材料光波导的制作技术；光路几何图形的微细加工技术和光波导电极的制作方法。【本章引言】第4章光波导的制备技术对于导光薄膜材料的选择应当遵循两个基本原则：一是导光薄膜材料的折射率高于衬底折射率的材料，二是导光薄膜材料能牢固涂敷在衬底上的材料。导光薄膜材料可以是线性光学材料(linearopticalmaterial)，也可以是非线性光学材料(nonlinearopticalmaterial)。线性材料一般只用于光传输，但通常情况下，要对传输的信号进行处理，使之具有放大、开光、偏转等能力，因此，非线性材料在光波导制造中十分重要。4.1.1光波导导光薄膜材料4.1光波导制作概述导波光学有两个目的：一是制造微型薄膜光学元件，二是制造集成光路。制作光波导的材料很多，可以分为衬底材料和导光薄膜材料。4.1.2光波导制作难点4.1光波导制作概述1、要求加工精度高2、图形复杂3、材料多样波导的图形与尺寸是由器件所需要达到的设计尺寸决定的，即使在可见光范围内，多数情况下的波导宽度也都3µm以上，因此，图形形成时通常都可以采用光刻技术。集成光路中光波导的横向精度要达到µm数量级以下，而且这个精度不只是在某一个点的精度，而是在沿着光传输轴方向波导宽度都必须达到的精度。4.1.3材料与制作技术4.1光波导制作概述材料制作技术高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀积法旋转涂敷√真空镀膜√溅射√√√√化学汽相沉积(CVD)√√√聚合√热扩散√离子交换√√离子注入√外延液相外延生长(LPE)√√汽相外延生长(VPE)√材料与制作方法的选择遵循下述原则：波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀；传输损耗小，通常应在ldB/cm以下，换言之，光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少；在晶体的情况下，纯度和光轴应符合要求；强度大，与衬底附着性好；工艺重复性好。表4-1汇总了典型的光波导材料以及用它们制作波导的方法4.1.4波导的结构、制作方法和特性材料制作技术高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀积法旋转涂敷√真空镀膜√溅射√√√√化学汽相沉积(CVD)√√√聚合√热扩散√离子交换√√离子注入√外延液相外延生长(LPE)√√汽相外延生长(VPE)√表4-2表明，通常利用旋转涂敷的方法制作聚氨脂、环氧树脂和光致抗蚀剂波导，利用光聚合法制作PMMA、聚碳酸脂和光聚合物波导。4.1光波导制作概述表4-2到表4-6列出了不同材料的波导的结构、制作方法和特性波导结构制作方法波导特性波导层衬底λ/µmΔn/nfβ(dB/cm)Ag+,Ti+:玻璃钠玻璃离子交换0.633Δn=2-10×10-24-5K+:玻璃钠玻璃离子交换0.633Δn=8-20×10-31SiO2-B2O3-GeO2熔石英CVD0.633Δn~10-20.1离子：熔石英熔石英离子注入0.633Δn=2-50×10-30.2As2S3玻璃镀膜1.06nf=2.360.2-0.4As40Se10玻璃镀膜1.06nf=2.280.4表4-3表明，通常利用离子交换制作玻璃波导，利用镀膜制作硫、硒、碲系波导。4.1.4波导的结构、制作方法和特性4.1光波导制作概述波导结构制作方法波导特性波导层衬底λ/µmΔn/nfβ(dB/cm)Ti:LiNbO3LiNbO3热扩散0.633Δn=5-30×10-31LiNbO3-LiO2LiNbO3LiO2外扩散0.633Δn10-21-2H+:LiNbO3LiNbO3质子交换0.633Δn=0.131LiNbO3LiTaO3外延生长0.633nf=2.20/2.293Nb:LiNbO3玻璃热扩散0.633Δn=2-4×10-21-2Cμ:LiNbO3玻璃电场热扩散0.633Δn=10-22表4-4表明，通常利用扩散技术制作铌酸锂波导。4.1.4波导的结构、制作方法和特性4.1光波导制作概述波导结构制作方法波导特性波导层衬底λ/µmΔn/nfβ(dB/cm)ZnO(多晶)玻璃，SiO2/Si溅射0.633nf=2.0155-10ZnO(单晶)Al2O3溅射，CVD0.633nf=2.0022Nb2O5玻璃，SiO2/Si反应溅射0.633nf=2.1-2.32-3Ta2O5玻璃，SiO2/Si反应溅射0.633nf=1.9-2.22-3（SiO2)x–(Ta2O5)y玻璃，SiO2/Si溅射0.633nf=1.46-2.082-3Si3N4SiO2/SiCVD0.633nf=2.01-2.020.1表4-5表明，通常利用溅射技术和化学气相沉积技术制作金属氧化物波导。4.1.4波导的结构、制作方法和特性4.1光波导制作概述波导结构制作方法波导特性波导层衬底λ/µmΔn/nfβ(dB/cm)Ga1-yAlyAsGa1-xAlxAsLPE,MBE1.06nf=3.474-8GaAs1-xSbxn-Al1-yAs1-xSbxLPE,MBE1InxGa1-xAs1-yPyInPLPE,MBE1.5表4-6表明，通常利用液相外延技术和分子束外延技术制作半导体材料波导。4.1.4波导的结构、制作方法和特性4.1光波导制作概述4.2.1光波导衬底材料材料波长/µm折射率透光范围/µmGaAs1.03.511-161.253.45InP1.303.211-14Ge2.04.111.8-23104.00Si1.53.481.2-10103.42对光波导衬底材料的总体要求是：1）材料应具有多功能，不仅能传输光信号，而且能制造出光源，接受器及各种调制器，2）性能稳定，均匀性好，容易加工制作，3）成本低，可批量生产。光波导衬底材料可以分成四类：1）无机材料：SiO2，LiNbO3，Ta2O5，Nb2O5，2)有机材料：塑料，有机玻璃，3）半导体：CaAs，4）金属和稀土陶瓷。表4-7给出了常用衬底材料及其常数。表4-7表明，用于LD，LED，PD的衬底材料主要为砷化镓、磷化铟、锗和硅。4.2光波导衬底材料及加工衬底材料主要起到三个作用，一是支撑导光薄膜，二是能在其上制作各种光路器件，三是形成反光层。本节将介绍光波导衬底材料特性和衬底材料的加工方法。材料波长/µm折射率透光范围/µm熔石英(SiO2)0.6331.4570.12-4.51.0641.451高硼硅酸玻璃0.6331.4700.21-5.0派热克斯玻璃0.6331.4720.28-4.5钠玻璃0.6331.5120.44-3.4表4-8表明，用于衬底玻璃的材料主要为熔石英、高硼硅酸玻璃、派热克斯玻璃和钠玻璃。4.2光波导衬底材料及加工4.2.1光波导衬底材料材料波长/µm折射率透光范围/µmLiNbO30.633ne=2.200、no=2.2860.4-5.01.0ne=2.157、no=2.237LiTaO30.633ne=2.180、no=2.1760.45-5.01.2ne=2.188、no=2.131表4-9表明，用于电光、声光器件的衬底材料主要为铌酸锂和钽酸锂。材料波长/µm折射率透光范围/µmAu0.633nr=0.15、ni=3.2说明:nr和ni分别为金属复折射率的实部和虚部Ag0.633nr=0.065、ni=4.0Al0.633nr=1.2、ni=7.0蓝宝石(Al2O3)0.6331.7660.15-6.5表4-10表明，用于电极的衬底材料主要为金、银和铝。用于缓冲层的衬底材料主要为蓝宝石。4.2光波导衬底材料及加工4.2.1光波导衬底材料材料波长/µm折射率透光范围/µmADP(NH4H2PO4)0.546ne=1.48、no=1.530.19-1.5KDP(KH2PO4)0.546ne=1.47、no=1.510.20-1.55表4-11表明，用于体型电光调制器的衬底材料主要为磷酸二氢氨和磷酸二氢钾。材料波长/µm折射率透光范围/µm重燧石玻璃SF-40.6331.6160.38-1.8SF-590.6331.950.46-2.5硫硒碲化合物系非晶玻璃As2S30.6332.610.6-111.1532.46As2Se31.1532.8390.9-11ZnO0.6ne=2.015、no=1.999SAW换能器表4-12表明，用于声光偏转的衬底材料主要为重燧石玻璃和硫硒碲化合物系非晶玻璃，用于声光换能器的衬底材料主要为氧化锌。4.2光波导衬底材料及加工4.2.1光波导衬底材料1、衬底抛光。光波导淀积用的衬底表面并不要求平滑，即无需极其小心地获得光学抛光人员引以为傲的极端平滑度，而只是要求衬底表面没有划痕或凹坑等缺陷。对于玻璃衬底，粗切割的玻璃毛坯要经过细磨后再抛光。加工过程的每道工序都要使用更细的抛光粉，直到前一道工序产生的擦痕都消失为止，如果加工得当，就可以获得很好的抛光面。一般来说，纯机械抛光总会留下擦痕的，这是因为实际研磨是通过机械刮削即通过研磨粉的作用进行的，然而，研磨粉总是有一定大小的。因此，为了获得无擦痕的表面，必须采用非机械抛光的方法。纯化学抛光可以获得无损伤的表面，但它并不光滑。在半导体工业当中，广泛采用化学－机械抛光法，即先用化学抛光法对衬底表面进行处理，然后用很细的磨蚀材料除去十分柔软的反应产物，从而获得较好的衬底表面。4.2光波导衬底材料及加工4.2.1光波导衬底材料2、衬底清洗。在制作光波导薄膜之前，必须在保证不损坏表面质量的前提下把衬底表面彻底清洗干净。对于玻璃衬底的清洗方法是，首先，把衬底片轮流放到三氯乙烯和丙酮溶液池中，用超声清洗若干次，然后用研磨去垢剂擦洗。接着将它们先后放到两种混合液中煮沸，第一种混合液由水、30%不稳定的H2O2和27%的NH4OH组成，第二种混合液由水、30%不稳定的H2O2和37%的HCl组成，其体积比为7:2:1。最后用过滤蒸馏水冲洗后吹干。洗好的衬底需要用简单而快速的方法进行检验，通常利用水消法和照射法。水消法是将洗干净的衬底表面浸入去离子水当中，然后观察其干燥的图样。若衬底表面不存在有机残留物，则去离子水能够均匀浸湿衬底表面，由于缓慢蒸发，水几乎完全消失，在水层变得很薄时会显现出干涉色。4.2光波导衬底材料及加工4.2.1光波导衬底材料4.2.2衬底材料的加工观察者散射光衬底样品漆黑的内表面照射法利用图4.1所示的装置，在左侧面开口的暗盒中装有一个小的出射光基本上是平行光的光源，光直接照到盒的出口处。把衬底片放在光束当中，我们迎着黑暗背景观察衬底，由于尘埃和表面缺陷的小斑点对光产生散射而使其清晰可见，这样就可以同时研究表面质量和样品的清洁度。图4.1照射法检测衬底样品表面装置示意图4.2光波导衬底材料及加工无源材料通常是指材料中不含有自由载流子，用这些材料，只能做波导。无源材料光波导的制作技术主要是淀积技术和置换技术。淀积技术包括：真空蒸汽淀积，溅射淀积，旋转甩涂法、浸渍涂敷法、化学汽相淀积法和聚合