具有光柵結構的平面光波導裝置的制造方法

專利名稱：具有光柵結構的平面光波導裝置的制造方法
技術領域：
本發明涉及具有光柵結構的平面光波導裝置的制造方法。
技術背景
近年來，因為光纖通信系統的進步，尤其是因為摻雜鉺的光纖放大器(EDFA)和密集波分復用(DWDM)系統的發明，通過光線通信網絡傳遞的信息量已快速增加。為了滿足增加的數據容量的需要，正在對其中頻率效率高的調制方法進行增加待復用的波長數目的研究和開發。在DWDM系統中，需要具有更高級功能的光學組件，例如色散補償器，其比常規技術中使用的分散補償光纖模塊更精確地補償每個信道的波長色散和色散斜率。此外，也正在對可變色散補償器和偏振模式色散補償器進行研究和開發，所述可變色散補償器能夠滿足光傳輸線的色散特性的重路由或暫時和周期性的變化，所述偏振模式色散補償器動態補償偏振模式色散。
另一方面，隨著信息通信系統的尺寸和所安裝的信息通信系統數目的快速增加， 由計算機系統或高端路由器所消耗的大量功率從經濟效益以及環境影響兩個方面而言都成問題。為此，需要用于降低功率和環境影響的綠色ICT(信息和通信技術)。如果各種傳輸設備如路由器可以制得更小，則電信運營商的數據中心或中心局中的設備容置效率將得到改善。結果，空間使用效率得到改善。此外，能夠大幅降低由數據中心或中心局所消耗的功率，這有助于節能。因此，還需要用于各種光學傳輸器件的光學組件的小型化和功率減小。
作為用于制造小型高功能的光學組件的技術，通過使用CMOS制造工藝來制造光波導裝置的硅光子學技術已變成焦點，并且正在對其進行研究和開發。通過利用高折射率材料如硅(Si)或氮化硅(SiN)形成光學波導，使得利用已知的多種二氧化硅(SiO2)基玻璃作為芯線和覆層的主要構成材料的常規光波導裝置的小型化變得可能。此外，由于使用通過將雜質摻雜劑摻雜到Si中獲得的半導體材料，所以可以通過從外部施加電壓來調節折射率。結果，可以實現具有可變光學特性的器件。而且，由于其是適于批量生產的制造工藝，所以預計光學組件的價格在未來將下降。
作為具有布拉格光柵圖案的已知平面光波導裝置，圖47所示的均勻節距光柵結構是已知的，其中設置在光學波導200側壁上的凸201和凹202的節距Pe是恒定的。而且， 如圖48所示，線性調頻(chirped)節距光柵結構是已知的，其中設置在光學波導300側壁上的凸301和凹302如Pt/ > PGJ > PGk > Pg1 > PGm > PGn那樣變化是已知的。
專利文獻1公開了一種波長色散補償器件，其中在光學波導如形成在基板上的光纖或波導(平面光學波導)中形成具有一個一定周期的布拉格光柵，并且在光學波導中形成采樣結構以覆蓋布拉格光柵，并且其在多個波長信道內執行波長色散補償。采樣結構通過具有比布拉格光柵周期長的一個一定周期的相位采樣圖案來形成。相位采樣的每個周期在沿光學波導光學軸的方向上被劃分成多個空間區域，并且布拉格光柵的相位在相互接觸的相鄰空間區域的邊界上不連續地變化。如專利文獻1的圖IA至ID所示，在一個空間區域中的相位不存在不連續變化。
此外，非專利文獻1是由專利文獻1的發明人撰寫的科技論文，其公開了專利文獻 1補充的技術信息。首先，在中心波長處的單個信道的布拉格光柵圖案是利用專利文獻1的知識設計的。光柵圖案通過使用逆散射方法得自期望反射和波長色散的譜特性。然而，在光纖布拉格光柵中，在折射率可被改變以形成光柵圖案的范圍方面存在局限性。為此，增加執行譜特性的逆向傅立葉變換并將其切趾以免超過限度的操作。因此，在所得圖案中的布拉格光柵的節距隨位置連續變換。然后，通過相位采樣來設計多個信道的布拉格光柵圖案。 在光纖布拉格光柵中，由于對折射率的變換范圍存在限制，所以相位采樣是有效的。
專利文獻2公開了一種通過解決逆散射問題來設計和制造平面光波導裝置以實現具有復雜光學特性的器件如色散補償器的技術。
在CMOS器件制造技術的每個技術節點中的光刻工藝的分辨率不一定只通過使曝光設備的光源的光波長更短來決定，而是還可以通過引入分辨率增強技術(RET)如相移掩模(PSM)來提高。在400nm或更高的技術節點中，使用發射波長為365nm的i線光束的光源。在250nm、180nm和130nm的每個技術節點中，使用波長為248nm的KrF準分子激光器。 目前，引入了波長為193nm的ArF準分子激光器，并且已開發浸沒曝光技術。因此，這些發展使得能夠實際使用90nm、65nm和45nm的技術節點。
相移方法在常規技術中已知為提高其中使用掃描器(步進器)的還原投影曝光法中的分辨率極限的方法。根據非專利文獻2，相移方法中的分辨率極限相比使用通常透射掩模的曝光方法提高約2倍。
迄今為止，已經利用硅光子學技術研究了作為光纖通信系統光學組件的調制器或光發射/接收元件以及各種光學無源器件如光子晶體波導、硅線波導和AWG。盡管利用硅光子學收發模塊的有源纜線模塊已經商業化，但是硅光子學技術仍然處于其初期。到目前為止，已經利用使用電子束(EB)設備的直接寫入過程進行了大量研究。因此，關于利用光掩模的光刻工藝的認識尚未充分累積。在制造具有約0.3%的相對折射率差(通常稱為Δ) 的早期基于二氧化硅玻璃的平面光學波導時，因為光學波導的芯線寬度大至7 μ m，所以能夠使用一對一光掩模。與此相比，在使用硅光子學技術制造的高相對折射率差光學波導時， 用于信號光的有效折射率增加。因此，單模光學波導的芯線尺寸減至其幾分之一或至幾十分之一，并且光子晶體波導或光柵光學波導的周期性結構的特定距離也變得非常小。為此， 需要更精細的工藝技術。
另一方面，在光波導裝置中，要求足夠的厚度來實現光學波導的芯線厚度或形成包圍結構，例如覆層，這與集成電路器件如DRAM和CPU的LSI不同。為此，在形成包圍結構時，經常出現不一定能應用最新的精細工藝而需要使用舊的技術節點如厚膜抗蝕劑應用的情形。而且，在比更完善的IC如DRAM、CPU等具有更小體積要求的用于光纖通信系統的光學組件情況下，使用用于批量生產的工業12英寸晶片生產線工藝不一定導致成本降低。相反，為了降低成本，在許多情況下使用6英寸晶片或8英寸晶片的舊工藝有助于制造合適數目的光學組件。例如，利用130nm技術節點制造的用于光學通信系統的硅光子學光學波導在非專利文獻3中公開。130nm技術節點是如下工藝使用例如利用248nm波長的掃描器 (步進器)，并且使用相移掩模來提高分辨率。
引用文獻列表
[專利文獻]
[PTL 1]美國專利 6，707，967
[PTL 2]日本未審查專利申請，首次公開號2004-077665
[非專利文獻]
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[NPL 2]Marc D. Levenson, N. S. Viswanathan, Robert A. Simpson, " Improving Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask" . IEEE Transactions on Electron Dedices, Vol. ED-29，No.12，1828-1836 頁(1982 年 12 月)
[NPL 3] Τ. Pinguet, V. Sadagopan, Α. Mekis, B. Analui, D. Kucharski , S. Gloeckner," A 1550nm,IOGbps optical modulator with integrateddriver in 130nm CMOS" ，20074th IEEE International Conference onGroup IV Photonics， (2007 年 9 月 19-21 日)發明內容
技術問題
在已知的均勻節距光柵結構或線性調頻節距光柵結構中，不可能提供高的功能性-例如補償波長色散和同時補償多個信道的色散斜率的光學色散補償特性-作為平面光波導裝置的光學特性。而且，在利用硅光子學技術制造器件時，在尺寸逐漸變化(例如對于線性調頻節距光柵結構而言)的情況下不容易控制每個結構尺寸的加工精確度。因此，需要其工藝控制更為容易的結構。
在基于專利文獻1或非專利文獻1中公開的相位采樣圖案的光柵結構中，多信道色散補償器也可以在其中有效折射率的幅度相對小的光學波導例如光纖布拉格光柵(FBG) 中實現。然而，通過根據預定規則沿光學波導的光學軸將具有高折射率的部分排成陣列，光學波導隨功能性增加而同等程度增加。因此，這對于通過減小高功能化器件的長度來使高功能化器件更小的目的而言是不合適的。
為了實現具有高功能性的光學波導如色散補償器，合適的是基于利用專利文獻2 中公開的逆散射方法來改變光學波導的芯線寬度來設計光柵光學波導和基于所述設計通過利用硅光子學技術來實現平面光波導裝置。然而，在專利文獻2中，當芯線的寬度變化非常小時，認為存在需要使用X光光刻的特殊工藝如LIGA工藝的可能性。
因此，本發明的一個目的是提供一種平面光波導裝置的制造方法，所述平面光波導裝置能夠通過減小長度且同時實現高功能性來制得更小，并且具有其中在制造過程中可以容易地控制加工精確度的光柵結構。
問題的解決方案
為了解決上述問題和實現上述目的，本發明采用如下方案。即，本發明的一個方面是一種制造平面光波導裝置的方法，所述平面光波導裝置包括芯線，其頂表面設置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個側面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側面部分的兩側的第二高折射率材料層形成步驟。
此外，本發明的另一方面是一種制造平面光波導裝置的方法，所述平面光波導裝置包括芯線，其底面設置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個側面部分形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構成所述芯線的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側面部分的兩側并覆蓋所述槽部填充體的頂表面的高折射率材料層形成步驟。
可以布置為使得所述槽部包括沿所述芯線的縱向交替布置的多個凸部和凹部以形成光柵結構，其中構成所述芯線的材料的形狀是凸形并且所述槽部填充體的橫向寬度在各凸部處窄，并且構成所述芯線的材料的形狀是凹形并且所述槽部填充體的橫向寬度在各凹部處寬。
可以布置為使得所述槽部填充體在所述凸部處的橫向寬度和所述槽部填充體在所述凹部處的橫向寬度是變化的。
可以布置為使得節距是變化的并且為非線性調頻的，所述節距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
可以布置為使得在整個所述光柵結構上的每個所述節距(Pe)滿足(Ρ<ΓΡ)/ΔΡ = N，其中P是所述節距的預定參考值，Δ P為P除以M，M是大于1的整數，并且N是整數。
可以布置為使得對于所述光柵結構的大部分節距的所述N為+1、_1或0。
可以布置為使得所述凸部的所述槽部填充體的橫向寬度、所述凹部的所述槽部填充體的橫向寬度、以及節距設定為通過解決預定光學特性輸入的所述逆散射問題所獲得的值，所述節距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
可以布置為使得所述逆散射問題利用hWiarov-Shabat方程來解決。
可以布置為使得所述槽部填充體形成步驟還包括在所述低折射率材料層上形成光刻膠層的光刻膠層形成步驟；利用第一光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，所述第一光掩模是相移光掩模并且在與所述凸部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度與所述凸部的所述槽部填充體的相應寬度基本上相等，并且在與所述凹部對應的位置處的橫向寬度寬于所述凹部的所述槽部填充體的相應橫向寬度，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；利用第二光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在與所述凸部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度寬于所述凸部的所述槽部填充體的相應橫向寬度，并且在與所述凹部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度與所述凹部的所述槽部填充體的相應橫向寬度基本上相等；使所述光刻膠層顯影的顯影步驟；和利用得自所述顯影步驟的所述光刻膠圖案來蝕刻所述低折射率材料層以形成所述槽部填充體的蝕刻步驟。
本發明的有益效果
根據平面光波導裝置的上述制造方法，可以通過在芯線的上部或下部中形成槽來實現偏振不相關的波導結構。此外，可以通過在形成槽部填充體之后填充兩側的步驟來容易和精確地形成槽。
與其中節距逐漸變化的已知的線性調頻的光柵相比，可以減小長度用于微型化同時實現高功能性，并且在制造過程中可以容易地控制加工精確性。
由于通過利用hlcharov-Shabat方程解決逆散射問題來設計光柵光學波導，所以可以將具有復雜功能的光學特性的平面光波導裝置例如對多個DWDM信道上的光纖傳輸線的群延遲色散和色散斜率進行同時補償的色散補償器制得較小且具有短的波導長度。
由于平面光波導裝置可以通過其中使用CMOS制造工藝的硅光子學技術來制造， 所以能夠批量生產。結果，器件的價格可以降低。此外，器件可以通過采用高相對折射率差的光學波導結構而制得較小。
由于已經通過利用hlcharov-Shabat方程解決了逆散射問題來設計光柵光學波導，所以在光柵光學波導中的節距采用多個一定的離散值，并且光學波導的芯線寬度和槽結構的橫向寬度不均勻。由于光柵節距采用多個一定的離散值，所以與線性調頻類型不同， 過程控制變得更容易。
在形成光柵結構時，采用利用相移光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，在與所述凸部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度延伸并寬于所述凸部的相應芯線寬度的設計值并使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；和利用二元型光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，并且在與所述凸部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度與所述凸部的相應芯線寬度的設計值基本上相等。因此，即使使用利用波長為 MSnm的光的舊式曝光設備，也可以根據設計制造出具有復雜形狀的光柵光學波導。


[圖 1A]
圖IA是示出根據本發明第一實施方案的平面光波導裝置的芯線部的部分透視圖。
[圖 1B]
圖IB是示出根據本發明第一實施方案的芯線部的部分頂視圖。
[圖 1C]
圖IC是示出根據本發明第一實施方案的平面光波導裝置的截面圖。
[圖 2]
圖2是用于解釋第一實施方案中的Win和W。ut的芯線部的部分頂視圖。
[圖 3]
圖3是示出其中平面光波導裝置和光學傳輸線相互連接的形式的一個實例的說明視圖。
[圖 4A]
圖4A是示出第一實施方案中Iieff相對于Win變化的一個實例的圖。
[圖 4B]
圖4B是示出第一實施方案中W。ut相對于Win變化的一個實例的圖。
[圖 5]
圖5是示出第一實施方案中Win和W。ut相對于Iirff變化的圖。
[圖 6]
圖6是示出反射譜的一個實例的圖。
[圖 7]
圖7是以放大的方式示出圖6的一部分的圖。
[圖 8]
圖8是示出群延遲譜的一個實例的圖。
[圖 9]
圖9是以放大的方式示出圖8的一部分的圖。
[圖 10]
圖10是示出電位分布的一個實例的圖。
[圖 11]
圖11是以放大的方式示出圖10的一部分的圖。
[圖 12]
圖12是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 13]
圖13是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 14A]
圖14A是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 14B]
圖14B是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 15]
圖15是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 16]
圖16是示出第一實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 17]
圖17是示出用于側壁光柵結構的相移光掩模的鉻圖案的一部分的平面圖。
[圖 18]
圖18是示出用于側壁光柵結構的相移光掩模的π相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 19]
圖19是示出用于側壁光柵結構的相移光掩模的零相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 20]
圖20是示出用于側壁光柵結構的相移光掩模的構造的一部分的平面圖。
[圖 21]
圖21是示出用于側壁光柵結構的二元型光掩模的反圖案的一部分的平面圖。
[圖 22]
圖22是示出用于側壁光柵結構的光刻膠圖案的一部分的平面圖。
[圖 23]
圖23是示出用于上部或下部光柵結構的相移光掩模的鉻圖案的一部分的平面圖。
[圖 24]
圖M是示出用于上部或下部光柵結構的相移光掩模的π相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 25]
圖25是示出用于上部或下部光柵結構的相移光掩模的零相移圖案的一部分的平面圖。
[圖 26]
圖沈是示出用于上部或下部光柵結構的相移光掩模的構造的一部分的平面圖。
[圖 27]
圖27Α是示出用于上部或下部光柵結構的二元型光掩模的反圖案的一部分的平面圖。
[圖 27Β]
圖27Β是示出芯線和由用于上部或下部光柵結構的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關系的平面圖。
[圖 27C]
圖27C是示出芯線和由根據第一修改實施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關系的平面圖。
[圖 27D]
圖27D是示出芯線和由根據第一修改實施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之間關系的平面圖。
[圖 28]
圖28是示出用于上部或下部光柵結構的光刻膠圖案的一部分的平面圖。
[圖 29]
圖四示出第一對比例中用于上部光柵結構的二元型光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖30Α]
圖30Α是示出第二和第三對比例中用于上部光柵結構的相移光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖30Β]
圖30Β是示出第三對比例中用于上部光柵結構的二元型光掩模的圖案的一部分的平面圖。
[圖31]
圖31是示出根據本發明第二實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖32]
圖32是示出第二實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 33]
圖33是示出第二實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 34]
圖34是示出第二實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖 35]
圖35是示出第二實施方案的制造過程的部分透視圖。
[圖36]
圖36是示出根據本發明第三實施方案的平面光波導裝置的截面圖。
[圖 37A]
圖37A是示出第三實施方案中Iieff相對于Win變化的一個實例的圖。
[圖 37B]
圖37B是示出第三實施方案中W。ut的變化相對于Win變化的一個實例的圖。
[圖38]
圖38是示出第三實施方案中Win和W。ut相對于Iieff變化的一個實例的圖。
[圖39]
圖39是示出第三實施方案中有效折射率分布的一個實例的圖。
[圖 40]
圖40是以放大方式示出圖39的一部分的圖。
[圖 41]
圖41是示出第三實施方案中光柵節距分布的一個實例的圖。
[圖 42]
圖42是以放大方式示出圖41的一部分的圖。
[圖 43]
圖43是通過從上側對第二實施例中形成的槽部填充體的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖 44]
圖44是其中放大圖43的一部分的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖45]
圖45是通過從斜上方對第二實施例中形成的側壁光柵結構的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖46]
圖46是通過從上側對第二實施例中形成的側壁光柵結構的一部分拍照所獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[圖47]
圖47是示出已知的單節距光柵結構的一個實例的頂視圖。
[圖48]
圖48是示出已知的線性調頻光柵結構的一個實例的頂視圖。
具體實施方式
以下，將參考附圖描述本發明的優選實施方案。下文舉例說明根據本發明實施方案的在槽結構或光學波導的側壁上具有光柵結構(其配置為包括凹和凸)的光波導裝置及其制造方法。此外，本發明也可以相同的方式應用于在槽結構或光學波導的側壁上沒有光柵結構的光波導裝置及其制造方法。
而且，在本發明中，可以通過在芯線的上部或下部形成槽，用低折射率材料如覆層來填充槽，以及恰當設定槽的寬度和厚度來實現偏振不相關的波導結構。
在已知的技術中，已經報道了在包圍芯線的覆層中提供應力減少結構或應力調節結構的技術或通過研究減少整個覆層的膜應力的方法來減少偏振相關性的技術。與這種技術相比，通過在芯線的上部或下部中形成槽或脊以改變芯線形狀自身來控制偏振相關性的技術較優，原因是根據光柵結構的合適設計或光學波導的局部結構變化如彎曲的波導變得可能。此外，在將通過使用高折射率材料如芯線在芯線上部或下部中形成脊且恰當設定脊的寬度和厚度的情況與本說明書中所述的在芯線上部或下部中形成槽的情況相比較時，后一情況(其中在靠近中部的區域中進行折射率的調節，在所述區域中穿過光學波導傳播的傳播光的強度分布更強)在折射率的可控性方面優異并且容易設計器件。
此外，也可以考慮通過直接處理高折射率材料層形成槽，如在用于形成芯線的高折射率材料層上形成具有與槽寬度對應的開口的抗蝕劑層并通過光刻和蝕刻來處理高折射率材料層的情形。然而，存在如下問題如果光學波導的尺寸小，則通過蝕刻挖掘形成的槽也小。此外，當在沒有觀察到切平面的情況下以非破壞方式進行觀察時，存在難以考察槽寬度或槽深度的問題。另一方面，根據本發明的制造方法包括(A)形成第一高折射率層 (形成芯線的下部)的第一高折射率層形成步驟；(B)在第一高折射率層上形成由低折射率材料形成的低折射率層的低折射率層形成步驟；(C)通過用光刻和蝕刻移除低折射率層的兩側部分來形成槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和(D)形成第二高折射率層(其形成芯線的上部)的第二高折射率層形成步驟，從而填充兩個被移除的側面部分。因此，通過觀察步驟(C)中低折射率材料層上的槽部填充體來觀察信道尺寸變得更容易。
<平面光波導裝置的第一實施方案>
根據本發明第一實施方案的平面光波導裝置示意性地示于圖IA至IC中。圖IA是示出光學波導的芯線10的一部分的透視圖，圖IB是示出芯線10的相同部分的頂視圖，圖 IC是示出平面光波導裝置的截面圖。此外，圖16中示出了平面光學波導的透視圖。同時， 在圖IC中，附圖標記12和13用于表示芯線10的側壁和槽結構，而不區分圖IA和IB的凹 (凹部)12a和13a以及凸(凸部)12b和13b。
在該平面光波導裝置中，光學波導形成在基板15上。光學波導具有在基板15上形成的下覆層16、在下覆層16上形成的芯線10、以及在芯線10和下覆層16上形成的上覆層17。
此外，為了解決光學特性的偏振相關性問題，在光學波導的芯線的側壁上設置光柵結構12，并且在芯線的上部上設置槽光柵結構13。芯線10的底表面14是平的。
如圖2所示，側壁光柵結構12由在芯線10的兩個側壁上形成的凹1 和凸12b 形成。芯線10的芯線寬度W。ut周期性變化。芯線寬度W。ut是指芯線10在與光學波導的縱向垂直的方向(即信號光的傳導方向并且與基板平行)上的寬度。芯線寬度在凹12a中窄并且芯線寬度在凸12b中寬。
在光學波導縱向(圖IB中的左右方向)上的凹12a的持續距離稱為凹的縱向長度。此外，在光學波導縱向上的凸12b的持續距離稱為凸的縱向長度。通過增加彼此相鄰的凸部和凹部的縱向長度獲得的結果是該位置的光柵節距(圖2中的Pe)。
在芯線10的頂表面11上設置槽光柵結構13。
槽光柵結構13具有在與側壁光柵結構12的凸12b對應的位置處形成的凸13b。 凸1 是芯線10的一部分并且朝槽結構13的內部突出。在形成凸13b的位置處，槽結構 13的橫向寬度窄。此外，槽光柵結構13具有在與側壁光柵結構12凹1 對應的位置處形成的凹13a。凹13a是芯線10的一部分，并且具有相對于凸13b的凹陷形狀。在形成凹13a 的位置處，槽結構13的橫向寬度寬。即，存在如下相反關系凸1 中的槽結構13的橫向寬度Win窄而凹13a中的槽結構13的橫向寬度Win寬。
根據本發明實施方案的平面光波導裝置的光柵節距具有由于已解決逆散射問題 (其將在下文詳述)所獲得的一個離散節距值。即，根據本發明的平面光波導裝置與已知的均勻節距光柵結構、線性調頻節距光柵結構或采樣光柵結構不同。
圖IB示出光柵節距根據在縱向上光學波導的位置而具有不同的值如P、P+ Δ P和 Ρ-ΔΡ。此外，圖IB示出槽結構13的芯線寬度W。ut和橫向寬度Win傾向于從左向右增加的部分。根據本發明的光學波導也包括其中槽結構13的芯線寬度W。ut和橫向寬度Win傾向于從左向右減小的部分(未在圖中示出)，其將在下文描述。
因此，由于槽結構13的光柵節距Pe、芯線寬度W。ut和橫向寬度Win基于解決逆散射問題的結果而以復雜的方式變化，所以可以為光學波導提供期望的功能性。
(器件用途的實施例)
圖3示出平面光波導裝置101與光傳輸線103和105連接的形式100的一個實例。 由于器件101是具有光柵結構的反射型器件，所以起始邊緣既用作光信號的入射邊緣又用作發射邊緣。如圖3所示，輸入/輸出光纖通常與循環器102連接并通過其使用。入射信號光通過其傳播的輸入光纖103、連接平面光波導裝置101和光學循環器102的連接光纖 104、以及出射信號光通過其傳播的輸出光纖105與循環器102連接。
此外，優選在平面光波導裝置101和連接光纖104相互光學連接的位置處添加一般稱為模-場轉換器或光斑尺寸轉換器的輸入/輸出轉換部。這是為了減少連接光纖104 和器件101之間的連接損失。
(器件的制造方法)
在本發明中，為了獲得其中實現期望光學特性的具有光柵結構的平面光波導裝置，首先計算光學波導的光傳播方向的電位分布。這被轉換成光學波導的等效折射率分布， 并且被進一步轉換成光學波導的尺寸。在計算電位分布時，其中引入變量作為在光學波導正向或反向上傳播的電波幅度的波方程得到方程，例如具有得自光學波導的等效折射率的對數的微分的hWiarov-Shabat方程。該方程作為從光柵光學波導的復雜反射譜(其為反射的強度和相位的譜)來從數值上推導電位函數的逆散射問題來求解。因此，光學波導可以通過估算用于實現期望的反射譜的電位分布來設計。
通過使用上述方法，能夠設計和制造具有利用已知的均勻節距光柵器件或線性調頻節距光柵器件難以實現的復雜光學特性的布拉格光柵器件。結果，可以實現具有期望的光學特性的器件如光學色散補償器，其同時補償共同用于DWDM光纖通信系統中的40個信道中的傳輸線的光纖的波長色散和色散斜率。
(電位分布的設計方法)
下面描述利用源自期望的復雜反射譜的逆散射問題來設計電位分布的方法。
應當注意，在以下將要描述的設計程序中使用的表述中，光柵光學波導的縱向，即光傳播方向設定為ζ軸。圖IB中的左右方向是ζ軸方向。假定光柵光波導裝置的光柵區域的起始點為ζ = 0和光柵光波導裝置的光柵區域的終點為最大ζ值坐標，其中最大ζ值為光柵光學波導部分的長度。
首先，通過參考Sipe 的論文(J.E. Sipe，L. Poladian 和 C. Martijn deSterke, “ Propagation through nonuniform grating structures, " Journal ofthe Optical Society of America A, Vol. 11，Issue 4，1307-1320 頁(1994))按如下配置通過光學波導傳播的電磁場。
假定電磁場的時間變化是exp(-i ω t)，當光學波導的光傳播方向設定為ζ軸時， 光學波導中的電場復幅度E(Z)和磁場復幅度H(Z)分別通過麥克斯韋方程表示為下式(1) 和(2)。[式1]
權利要求
1.一種制造平面光波導裝置的方法，所述平面光波導裝置包括芯線，其頂表面設置有沿所述芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個側面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側面部分的兩側的第二高折射率材料層形成步驟。
2.一種制造平面光波導裝置的方法，所述平面光波導裝置包括芯線，其底面設置有沿所述芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個側面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構成所述芯線的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側面部分的兩側并覆蓋所述槽部填充體的頂表面的高折射率材料層形成步驟。
3.根據權利要求1或2所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述槽部包括沿所述芯線的縱向交替布置的多個凸部和凹部以形成光柵結構，其中構成所述芯線的材料的形狀是凸形并且所述槽部填充體的橫向寬度在各凸部處窄，并且構成所述芯線的材料的形狀是凹形并且所述槽部填充體的橫向寬度在各凹部處寬。
4.根據權利要求3所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述槽部填充體在所述凸部處的橫向寬度和所述槽部填充體在所述凹部處的橫向寬度是變化的。
5.根據權利要求3所述的制造平面光波導裝置的方法，其中節距是變化的并且為非線性調頻的，所述節距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
6.根據權利要求5所述的制造平面光波導裝置的方法，其中在整個所述光柵結構上的各所述節距(Pe)滿足(Ρ<ΓΡ)/ΔΡ = N，其中P是所述節距的預定參考值，ΔΡ為P除以Μ， M是大于1的整數，并且N是整數。
7.根據權利要求6所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述光柵結構的大部分節距的所述N為+1、-1或0。
8.根據權利要求3所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述凸部的所述槽部填充體的橫向寬度、所述凹部的所述槽部填充體的橫向寬度、以及節距設定為通過解決預定光 學特性輸入的逆散射問題所獲得的值，所述節距各自定義為沿所述芯線的縱向方向的所述凸部之一的縱向長度與和所述凸部之一相鄰的所述凹部之一的縱向長度之和。
9.根據權利要求8所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述逆散射問題利用 Zakharov-Shabat 方程來解決。
10.根據權利要求3所述的制造平面光波導裝置的方法，其中所述槽部填充體形成步驟還包括在所述低折射率材料層上形成光刻膠層的光刻膠層形成步驟； 利用第一光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第一曝光步驟，所述第一光掩模是相移光掩模并且在與所述凸部對應的位置處所述遮蔽部的橫向寬度與所述凸部的所述槽部填充體的相應寬度基本上相等，并且在與所述凹部對應的位置處的橫向寬度寬于所述凹部的所述槽部填充體的相應橫向寬度，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻膠層曝光；利用第二光掩模在所述光刻膠層上形成遮蔽部的第二曝光步驟，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在與所述凸部對應的位置處的所述遮蔽部的橫向寬度寬于所述凸部的所述槽部填充體的相應橫向寬度，并且在與所述凹部的所述遮蔽部的橫向寬度與所述凹部的所述槽部填充體的相應橫向寬度基本上相等； 使所述光刻膠層顯影的顯影步驟；和利用得自所述顯影步驟的所述光刻膠圖案來蝕刻所述低折射率材料層以形成所述槽部填充體的蝕刻步驟。
全文摘要
一種制造平面光波導裝置的方法，所述平面光波導裝置包括芯線，其頂表面設置有沿芯線的縱向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯線的折射率的低折射率材料制成的槽部填充體，所述方法包括形成構成所述芯線的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料層的第一高折射率材料層形成步驟；在所述高折射率材料層上形成由低折射率材料制成的低折射率材料層的低折射率材料層形成步驟；通過利用光刻和蝕刻來修剪所述低折射率材料層的兩個側面部分以形成所述槽部填充體的槽部填充體形成步驟；和形成構成所述芯線的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料層以填充所述槽部填充體的側面部分的兩側的第二高折射率材料層形成步驟。
文檔編號G02B6/13GK102483490SQ20098016103
公開日2012年5月30日 申請日期2009年8月25日 優先權日2009年8月25日
發明者五井一宏, 佐久間健, 余明斌, 盧國強, 官寧, 小川憲介, 張惠宜, 陳永聰 申請人:新加坡科技研究局, 株式會社藤倉