光學波導裝置的製作方法

2023-05-02 22:04:06

專利名稱：光學波導裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種降低雙折射的光學裝置。更具體地，涉及到一種平面光學裝置，其中通過改進波導元件下面的襯底而減弱了襯底對光學波導裝置中由應力引起的雙折射的影響。
集成平面光學波導裝置通常包括在一個適當的襯底上構成的玻璃基材料的一個多層堆。在玻璃材料包含多層結構的情況下，矽襯底可用作構造基底，因為它便宜且它的處理方法是眾所周知的。在構造過程中(生長、擴散、退火)，由於多層堆熱處理的應用，矽和玻璃不同的熱膨脹係數使光導結構內部引起的各向異性的應力產生難以接受的高值，在靠近波導芯處更為明顯。產生的應力改變了TE和TM光學偏振的傳播特性，換句話說，應力各向異性導致了雙折射，即依賴於偏振的折射率。作為一個實例，帶SiON芯層的矽上二氧化矽波導技術中能觀察到折射係數的高度對比。在SiON波導技術的使用及可量測性方面，光學雙折射是一個限制因素。
在1986年7月的Elecrochem.Soc.:Solid state science andtechnology的第1458-1464頁中的Claassen,v.d.Pol,Goemans和Kuiper的題為「等離子體增強CVD沉積的矽氮氧化物膜的特性」(「Characterization of Silicon-Dxynitride Films deposited by PlasmaEnhanced CVD」)的文章中，研究了用不同氣體混合物通過等離子體增強沉積而成的矽氮氧化物層的組成及其機械性質。其中指出，機械應力強烈地依賴於層中含有的氧和氫的數量。在高於沉積溫度的溫度下的熱處理中，由於氫的解吸附作用和交聯而使得膜緻密。
在1980年8月的J.Appl.Phys．第51卷第8期4197-4205頁，Shintani,Sugaki和Nakashima的題為「在化學汽相沉積玻璃質膜中應力的溫度相關性」(「Temperature dependence of stresses in chemicalvapor deposited vitreous films」)中指出，在與沉積背景壓力相關的透明矽酸鹽玻璃中出現了拉應力和壓應力的不同組分，還觀察到了應力的遲滯。
在1983年9月的J.Appl.Phys第54卷第9期5064-5068頁上，Blaauw的題為「在GaAs和Si上化學汽相沉積SiO2和等離子體SiNx膜中的應力」(「Stress in chemical-vapor-deposited SiO2and plasma-SiNxfilms on GaAs and Si」)的文章中，在GaAs上的CVD-SiO2和等離子體-SiNx膜中，應力是作為溫度的函數測量的。隨著諸如膜的厚度、摻雜和退火參數的不同，可以觀察到應力的不同性質。
在1990年9月/10月的J.Vac Sci.Technol第B8卷第5期1068-1074頁B hushan,Muraka和Gerlach的題為「用化學汽相沉積技術沉積的二氧化矽膜中的應力以及退火對這些應力的影響」(「Stress inchemical-vapor-deposited SiO2and plasma-SiNxfilms on GaAs andSi」)的文章中，討論了作為退火溫度函數而現場測得的應力。研究了不同的沉積技術，在矽襯底上的PECVD二氧化矽膜中，隨著退火溫度的提高觀察到應力從拉伸到壓縮的一種變化。
在US 5502781中，公布了使用磁致伸縮、電致伸縮或光致伸縮產生的應力來改變裝置中一個或多個波導的光學性質的集成光學裝置。這種集成光學裝置包括至少一對光學波導，優選地是做在襯底上的覆蓋材料之中的。把一種施加應力的材料，可以是磁致伸縮的、電致伸縮的或是光致伸縮的材料，添加到靠近至少一個光學波導的覆蓋材料的上表面。適當的磁場、電場或光場加在施加應力的材料上時，該材料中就會有產生一種二維變化的傾向。可是，由於粘著在覆蓋材料上而產生的該施加應力材料的約束狀態，使得集成光學裝置中產生張應力和壓應力的區域，以及相關的應變。通過裝置中在受張應力和壓應力作用的一個區域內放置一個或多個光學波導，應力波導的光學性質可以發生變化來完成開關和調製作用。通過使用一個受控產生的應力把集成光學裝置中的一個或多個波導「調諧」到所需的折射率或雙折射率，且在移走場後仍能保持，這樣的可鎖存集成光學裝置已經實現了。
在US 4358181中，公布了一種高數值孔徑梯度折射率光波導預製件的製造方法，其中在製造過程中，兩種摻雜成分的濃度是變化的。為產生所需的徑向折射率梯度，在預製件形成的過程中，第一種摻雜物GeO2的濃度是徑向變化的。第2種摻雜物B2O3是徑向變化的，用來補償由於GeO2濃度的變化引起的熱膨脹係數的徑向變化。在覆蓋層中加入B2O3，使得覆蓋層的熱膨脹係數等於或大於芯的複合熱膨脹係數。由於熱膨脹梯度而在內表面產生的剩餘張力量值降低了，並且消除了預製件的過早破裂。
在US 4724316中公布的是一種改進了的類型的光纖傳感器，其中傳感器的光纖波導組件做成對外部參量敏感的，使得在響應所感應到的外部參量的變化而產生的力時，光纖波導的曲率是變化的。光纖波導曲率的變化導致所通過的光密度變化，這些變化表示了外部參量的狀態。這種改進包括覆蓋在光纖波導外面的塗層材料，塗層材料有一個膨脹係數和厚度，使得光纖波導上由於受熱而在塗層材料和玻璃纖維之間產生的應力引起的變形基本消除。還公布了支撐這種彎曲的光纖波導的一種支撐部件，支撐部件與光纖波導被組合成使試圖把波導與支撐部件分開的熱應力效果最小。
在美國專利4781424中描述了一種在光導信道內降低所產生的應力的一種方法，為了消除玻璃層內的應力成分，使用了與信道鄰近的槽。US 4781424涉及到一種單模光學波導，它有一個襯底，在襯底上形成一個覆蓋層，在覆蓋層中嵌入一個芯部分，而且還有一個用於對芯部分施加應力的細長部件或是一個在覆蓋層中沿芯部分的用於減少芯部分的應力的應力減緩槽。細長部件或是槽的形狀和材料是以這樣一種方式確定的，使得根據襯底和單模光波導之間的熱膨脹係數的差異，芯部分產生的由應力引起的雙折射是一個所需的值。在公開的全部方法中，本裝置受到來自上側即波導裝置放置的一側的作用。所公布的方法還用了一個掩模來確定槽並用一種切除技術來製作槽。這兩點導致了明顯的額外加工工作。
根據權利要求1，本發明的一個目的是提供一種能降低波導結構的應力或是很好地確定所關心區域的應力值的光學裝置。
另一個目的是提供可替代本領域現有技術來降低光學波導裝置中的雙折射的一種解決方法。
根據權利要求1具有這種特點的光學裝置有如下優點襯底的影響在波導下面的區域減少了，由於這一事實，與之有關的工序對襯底上的波導裝置的影響更小了。由于波導結構極易受像熱或機械影響這種後處理影響，因此最為有利的是波導結構完成後，加工工序對它不會或是只有極少的影響。通過從波導結構下面處理襯底，明顯減小了損傷波導結構的可能性。而且即使是損傷波導結構的刻蝕工具也可以使用，這是因為這一加工是經過襯底下側且在刻蝕工具和波導結構之間不會有接觸。這就擴大了襯底加工材料和工具的選擇，也降低了損傷波導結構的危險。
而且，從襯底下側加工使得採用襯底的非特定空間預處理成為可能，非特定空間預處理就是涉及到整個晶片下側且不帶掩模之類形式的區域選擇組件的一種處理。比如，在採用刻蝕工序更準確或是空間選擇性襯底切除之前，可以首先採用一種機械拋光工序。
在附屬權利要求中包括了對權利要求1的裝置的有益的修改和補充。
波導元件下面的脊狀突起元件非常容易製造，而且不會減少這種機械裝置的穩定性，因為它不需要任何不同材料且採用成熟的襯底生產方法和最終也是眾所周知的光刻方法。
選擇脊狀突起元件的寬度，使之不引入額外的傳播損失，優選的是至少大約等于波導元件的寬度加上上覆蓋層厚度的兩倍，這是一種對外形的選擇，在脊的製造過程中，這可以避免使用複雜的光學波導理論而代之以易於理解的簡單公式。
與脊狀突起元件的上表面垂直的方向上沉積率較高，在垂直於脊狀突起元件側壁的方向上沉積率較低，在以這種沉積率沉積覆蓋層的時候，側壁的垂直性很大程度地不受影響，因而，脊狀突起元件水平方向尺寸也同樣保持。這最適於脊狀突起元件放鬆應力影響。
另一種可選方法是選擇使襯底不延伸到波導元件下面。這樣帶來的好處是也不需要額外的材料來獲得所需的降低雙折射的影響。因此波導結構甚至與襯底產生的任何可能的雙折射影響分開。這意味著，即使襯底是由一種與覆蓋層和波導芯有不同熱膨脹係數的材料做成的，它也可以不受雙折射的有害影響而使用。
一種有利的解決辦法是至少切除波導元件下面區域的一部分襯底，因為這個工序可以在完成最終的波導設計和生產過程之後來做。因此並不需要波導結構的預期圖示，因為切除可以適合於最終存在的波導結構。這給設計留下了更大的自由度。而且，為了製備襯底開始時並不需要有複雜的掩模或是原版結構。襯底首先做為一個整體被構造，然後再用一些切除工序來處理。可使用許多切除工具，有化學的也有機械的。
在襯底被切除的區域裡填充了熱膨脹係數至少約等于波導元件的熱膨脹係數的填充成分時，該配置的穩定性有所提高，保持了雙折射的降低。材料的選擇比用單純修改襯底更為廣泛。填充成分也可以在完成波導的生產過程包括最後的熱處理之後再填進去。在這種情況下，填充成分不需要有特定的熱膨脹係數，因為不再假定有極端熱膨脹差異，這是因為填充成分不經歷上述過程的極端溫度。填充材料於是用作純粹的機械穩定器。更一般地，填充成分可以是一種有預定膨脹係數的成分，以便調節所產生的雙折射，從而得到一個其所需的值。
光學波導裝置是機械穩定時，優選為固定在一個穩定元件且/或在上面沉積一個穩定層，這樣它在粗糙的環境條件中就不會有受損壞的危險。
另一個好的解決辦法是對波導元件下面的區域的襯底進行化學改進，來形成一個改進了的襯底區域，使其熱膨脹係數至少約等于波導元件的熱膨脹係數。這種方法利用了襯底自身穩定的優勢，而且用這種方式只增加了一個不影響材料運輸的改進工序，像填充一個凹陷或是製做一個縫隙即可。這種改進可以看成是在所需的區域對襯底的某種軟化，這樣在波導結構下面就不會形成應力。
把粘度比下覆蓋層粘度低的一個層成分放在襯底和下覆蓋層之間時，該層成分用於減小應力。一個很強的優點是保持整個配置的平面性和穩定性。更進一步，這個層成分可以通過簡單的沉積或是材料調整的方法來製備，甚至不需掩模工序。這個層成分可以通過化學改變襯底表面和/或下覆蓋層和/或在襯底和下覆蓋層之間沉積額外的層來製備。這提供了多種改進的可能性，其也可用於優化層成分對於降低應力功能，以及機械穩定性和對裝置性能的光學影響的特性。
相對層成分的粘度來說，這種材料也可稱為浮層，它可以這樣選擇，使得在粒子留在襯底表面而使表面變得不平的情況下，浮層由於它固有的柔軟性而把這些粒子或顆粒結合進去，從而使襯底表面再變平。在浮層上生長的波導結構就能利用一個更平的表面。
光學波導中的雙折射是決定一個波導類光學元件性能的重要因素之一，因此希望能高度準確地把雙折射控制在一個所需值。
本發明解決了平面光學波導技術的一個關鍵問題，這就是由於在熱處理工序中產生的各向異性的應力而引起的雙折射。它使得能夠以極低的偏振相關性生產與矽有關的光學元件。
這個問題是通過從波導結構下面改進襯底解決的，這使得波導結構基本上不受改進工序的影響。
改進包括波導芯下面的脊狀突起元件的生成、全部或部分切除波導芯下面的襯底、對波導芯下面襯底完全或部分地化學改變和/或在襯底和波導結構之間放一個層成分。脊、該層成分和化學處理甚至可以在波導結構做成之前進行，使得這些消除雙折射的措施不會影響裝置的性能。生產光學波導裝置的最後工序只是上覆蓋層的製備和最後的一個熱處理，如退火工序，它們是在波導結構做好後要進行的唯一兩道工序。
實際上，可以設想將不同的降低應力的技術結合起來。以這種方式可以利用各種技術不同的切除率和選擇性。
本發明的例子繪製於附圖中並以舉例方式在下文中作詳細描述。


圖1．帶脊狀突起元件的波導的截面圖。
圖2．對波導元件下面的襯底進行了切除的波導的截面圖。
圖3．對波導元件下面襯底進行了化學改進的波導的截面圖。
圖4．帶一個層成分的波導的截面圖。
為清楚起見，所有圖都未按真實的外觀尺寸繪製，也未按它們之間的比例繪製。
下面描述了本發明的各種示範性實施例。
圖1是一種非平板襯底1的光學裝置的側視圖。襯底1上有一個截面是長方形的脊狀突起元件2。在襯底1和脊狀突起元件2上有一個覆蓋了脊狀突起元件2和襯底1的整個表面的下覆蓋層3。在下覆蓋層3上有一個截面是長方形的波導元件4，也稱之為波導芯或芯，放置在脊狀突起元件2也稱脊的上方中間。在整個該配置上面有一個上覆蓋層5。圖1中未圖示出整個裝置在與圖所在平面垂直方向上的延伸。波導元件4和覆蓋層3,5的鄰接部分一起形成一個波導結構。該配置總體上形成一個光學裝置，叫做光學波導。
由於它的功能是波導，下覆蓋層3有第一折射率n3，上覆蓋層5有第二折射率n5，二者都比第三折射率n3低，第三折射率是波導芯4的折射率，其包含SiON。
波導芯材料中氮的含量決定它的折射率。因此，一旦要得到預定的折射率，氮的含量就限定在了一個窄的範圍內。為了消除SiON材料中的N-H鍵，可以使用退火工序來分離SiON材料中相當數量的氫。N-H鍵對裝置的功能有一定的負作用，因為它們會使波長為1500nm附近範圍中的光吸收增加，而1500nm是處於光數據傳送的光信號傳輸窗口。退火後可以獲得低損耗，但是，如果是傳統設計的裝置，還會使機械應力作為一種負面影響保留下來。
脊2的截面尺寸約為10μm。覆蓋層3的厚度約為10μm。矽襯底1的厚度一般為0.3～1mm。在製備於矽襯底上的二氧化矽單模光學波導中，由於二氧化矽玻璃和矽襯底1之間的熱膨脹係數不同而使得玻璃膜表面內部產生數量級為15kg/mm2的強大的壓應力，因此光學波導表現出應力引起的雙折射。
然而脊2限制了波導結構側向的伸張。由于波導元件4周圍的區域相對於平行襯底1方向的膨脹不受限制，它可以側向膨脹和收縮，由此脊2的水平尺寸應該使得它不會或只是很低程度地作為一種下襯底，或者說為側向熱膨脹提供限制。因此，可接受的值為約15μm寬。水平地看，脊比襯底1小，它會使波導結構受到較少的熱膨脹限制，並因此可以降低應力和雙折射。這樣，在熱循環中產生的應力以及由應力而產生的雙折射可以實質上降低。襯底1水平方向的任何膨脹或收縮就不會延伸到波導部分，使之在脊狀突起元件2上不會受到影響。
脊2的寬度也應設計得不帶來額外的傳播損耗。取決於實際實施情況，它的側向延伸優選的是與光場的尺度相當或略大，即10～20μm。此處光場的尺度確定為波導芯4的尺寸加上鄰接波導芯的漸逝場部分的區域，其一般是約3-5μm。
下面描述的是上述裝置的製造工序。
首先，可以通過刻蝕構造襯底1，使得脊狀突起元件2形成在襯底1上面。蝕刻可以通過KOH蝕刻劑來完成，產生一個約55度的側壁坡度。這是個低成本方法。或者採用反應離子刻蝕製作垂直的側壁，這可以更有效地去除應力。
接著形成下覆蓋層3，比如用二氧化矽製成。也可以用脊2的熱氧化，這是個低成本方法。或者，也可以在脊2上沉積一種PECVD氧化物來形成下覆蓋層3。這種方法的優點是脊2的水平面的沉積率比側壁的高，這樣加強了結構的效果，還帶來了額外處理的可能生。也可以用氧化物蒸發，這會使二氧化矽的質量較差但優先在水平表面上會有高的方向選擇性。
為形成波導4，沉積摻雜SiO2,SiON,PSiON等，例如可以用PECVD或LPCVD工藝。然後可以藉助掩蔽和接下來的反應離子刻蝕來構成波導芯材料。
最後採用沉積方法在波導元件4上通過PECVD或LPCVD或其他適當工藝形成上覆蓋層5。
圖2是用襯底切除生產對偏振不敏感的平面光學波導的例子，即帶一個晶片形式的平面襯底的光學裝置的側面圖。
在襯底1上有一個覆蓋了襯底1的整個表面的下覆蓋層3。在下覆蓋層3上有一個截面為長方形的波導元件4，也叫做波導芯或是芯。在整個配置上面有一個覆蓋層5。襯底1上在波導芯4的正下方有一個凹陷6，這意味著襯底1不延伸到波導元件4下面。在裝置的頂部沉積一個提供結構穩定性的裝置穩定層9。實際此處存在但圖2中看不到的是整個裝置在與圖所在平面垂直方向上的延伸。波導元件4和覆蓋層3,5的鄰接部分一起形成一個波導結構。這個配置總體上是一個光學裝置，叫做光學波導。對於覆蓋層3,5，這裡使用氧化物層。
描述的這個裝置是通過部分或全部切除波導結構下面的襯底1來降低應力的例子。這個方法適合消除由於在高溫時矽襯底1和氧化物層3,5不匹配這種由熱引起的應力。波導裝置在波導芯4附近區域基本上能保持為無應力的全玻璃膜。
覆蓋層3,5於是一起在凹陷6上的區域形成一個隔離膜，隔離膜由穩定層9加以穩定，這一穩定對下面的加工和處理工序是有用的。
襯底1的切除也可以在整個晶片的後表面進行，或只是在它的一部分，或只是在一定深度上進行。
由于波導放在獨立式隔膜之中，而且與晶片單邊連接，可以採用在晶片水平方向部分地切除襯底1。
也可在垂直方向上部分地切除襯底用於應力補償。
可以採用幾種方法切除矽襯底。
a)矽襯底1的化學機械拋光。該方法的優點是有高的切除率。
b)刻蝕(液體刻蝕或是幹刻)或是電化學拋光。這些方法的優點是對微小裂縫的形成來說這些方法更柔和，對非平面性更寬容。刻蝕還有允許空間選擇性切除的額外優點。
實際中可設想將這些技術結合起來。以這種方式可以利用各種技術不同的切除率和選擇性。
針對形成的隔膜對進一步加工來說不具有足夠的穩定性，為加固裝置，可設想下面的措施或是這些方法的結合a)在切除襯底之前，在波導結構頂部沉積二氧化矽類材料，此處其功能可以藉助穩定層9來實現。
b)在上覆蓋層5頂部沉積非晶矽，接著把沉積的材料氧化為非晶二氧化矽，形成穩定層9。
c)把波導結構的上側接合在適於加工的另一材料上，比如矽。
在圖3中圖示了改進襯底以生產對偏振不敏感的平面波導的例子，即晶片形式的帶平面襯底1的光學裝置的側面圖。
在襯底1上有一個蓋住整個襯底1表面的下覆蓋層3，在下覆蓋層3上有一個截面為長方形的波導元件4，也稱為波導芯或是芯。在整個裝置上面有一個上覆蓋層5。在波導芯4的正下方襯底1上有一個改進的區域7，這意味著襯底1自身不延伸到波導元件4的下面。此處存在但在圖3中看不到的是整個裝置在與圖所在平面垂直的方向上的延伸。波導元件4和覆蓋層3,5的鄰接部分一起形成一個波導結構。該配置總的來說是個光學裝置，叫做光學波導。覆蓋層3,5用氧化物層。
所描述的裝置是通過對波導結構下面的襯底1進行化學改進來降低應力的一個例子。對於化學改進，設想了對襯底1的氧化。產生的二氧化矽具有與波導相等的熱膨脹係數，降低了襯底1與波導之間的熱應力的形成。該改進方式適於消除由於高溫時矽襯底1和氧化層3，5熱膨脹係數不同這種由熱產生的應力。由於在波導芯4中的應力據估計是由於氧化物層3,5與波導芯4之間的應力的一小部分，全部應力主要以由於襯底1和下覆蓋層3的不同的熱膨脹係數產生的應力為主，襯底1的改進或氧化可能不會完全消除由熱產生的應力，但可以使之減小。
也可以在晶片的整個後表面上改進襯底1，或是只改進它的一部分，或是只改進到一定的深度，因此留下比如在波導結構下面一個薄的襯底層。
矽襯底的化學改進可以通過切除襯底1並在其中填上一種適宜的材料，優選的是二氧化矽，或是與二氧化矽和SiON的熱膨脹係數接近的任何其他材料，但也可以是一種有預定熱膨脹係數的材料，使產生的應力為所需值。襯底也可以通過氧化、化學處理、離子轟擊、摻雜或任何其他改進方法直接改進。
在圖4中示意了一種帶一個層成分的波導裝置的截面。
在襯底1上有一個蓋住整個襯底1表面的下覆蓋層3，在下覆蓋層3上有一個截面為長方形的波導元件4，也叫做波導芯或芯。在整個裝置上面有一個上覆蓋層5。在襯底1和下覆蓋層3之間有一個中間緩衝層8。此處存在但圖3中看不到的是整個裝置在與圖所在平面垂直方向上的延伸。波導元件4與覆蓋層3,5的鄰接部分一起形成一個波導結構。這個裝置總體上是光學裝置，叫做光學波導。覆蓋層3，5在此用氧化物層。聚合物或其他材料也可在此使用。
層成分8作為SiO2基波導和矽基襯底1之間的低粘度玻璃緩衝層。緩衝層8用於從波導的襯底1上隔離波導應變。
在高溫處理工序中，玻璃的粘度可以被明顯地降低，因此熱應力就減輕了。處理工序之後材料被冷卻，玻璃的波導和矽襯底之間不同的熱膨脹係數使得在波導中產生應力。這些應力在其底部附近的矽-二氧化矽界面水平地壓縮波導、垂直地膨脹波導，而裝置朝上表面松馳，在這個方向上無約束，如果粘度太高，退火和冷卻時間太短使熱應力充分張馳，就會形成應力。
粘度η近似遵循阿侖紐斯特性η=η0e-Q/kBT,Q是活化能。給定一個常數冷卻率，在有效溫度T*材料就會固定成最終的結構，T*取決於冷卻率。如果高溫加工工序所用退火溫度高於T*，材料就會藉助粘滯流調節熱應力，並會基本上沒有應力。
在冷處理跨越溫度T*時，材料會變硬，而且會由于波導和襯底1中不同的熱膨脹而在結構中產生應力。
殘餘的應力和雙折射正比於(k{SiO2}-k{Si}(T*T0)，其中T0是裝置的工作溫度，k{SiO2}和k{Si}是矽酸鹽和矽的各自熱膨脹係數。在本例中，熱膨脹係數的差為一個因子5。
此處應力是把波導用低粘度材料的緩衝層8從支撐結構上分離而減輕的，即使是在低退火溫度時這種低粘度材料也能流動，緩衝層的粘度應該是兼顧裝置在高溫加工中需要的結構硬度和松馳應力所需的柔性。緩衝層8可以通過用硼、磷、鹼或鹼土金屬材料摻雜來引入。用低溫下「流動」的玻璃把實際的波導與襯底1分開，在與低粘度玻璃有關的溫度T*，應力場就會減輕，此溫度基本上比如果整個裝置是SiO2和SiON做成的所需溫度要低。溫度T*估計為應變在15分鐘內松馳的退火溫度。退火溫度定義為粘度達到1013.4p時的溫度。對二氧化矽玻璃退火溫度為1500K，作為軟玻璃的一個例子，鹼-鉛玻璃(KG-1)的退火溫度為700K。通過三次消除兩種玻璃室溫和退火溫度之間的差別估計三次消除產生的熱應力，這個數值可通過緩衝層材料的適當選擇來進一步改變。
由於加入的緩衝層與實際波導的距離約為9μm，除了應力導致的光各向異性之外，光學性質不受影響。另一方面，緩衝層8是在應力最大的區域引入的，即玻璃-矽界面。
在晶片上光路中使用具有高折射率對比的SiON波導來得到與傳統的基於摻Ge的SiO2波導技術相比更小的尺寸。基於SiON的方法允許使用更小的波導彎曲半徑以及更小的組件，但受到更大的傳播損耗和雙折射，因為它耦合了具有不同的熱膨脹係數的多個層，即光學波導和下方的襯底。
本發明的優點將允許像普遍需要的消除吸收損耗這樣的高溫加工工序不會引入有害的、與應力有關的雙折射的影響。
所提出的措施和特徵可以全部結合在一起，特別是使所做裝置從性能上以及降低成本和支出方面更優化。
權利要求
1．一種光波導裝置包括一個襯底(1)，在襯底之上的下覆蓋層(3)，在下覆蓋層之上的上覆蓋層(5)和在所述覆蓋層(3,5)之間的波導元件(4)，其特徵在於，通過從所述波導元件(4)下面改進所述襯底(1)，降低了所述襯底(1)對所述光學波導裝置中由應力所致雙折射的影響。
2．根據權利要求1的光學波導裝置，其特徵在於，所述襯底(1)包括在所述波導元件(4)下面的一個脊狀突起元件(2)。
3．根據權利要求2的光學波導裝置，其特徵在於，脊狀突起元件(2)具有一定寬度，其選定為使得不引起額外的傳播損耗，優選為至少約等于波導元件(4)的寬度加上上覆蓋層(5)厚度的兩倍。
4．根據權利要求2的光學波導裝置，其特徵在於，覆蓋層(3,5)是以這樣的沉積速率沉積的在垂直於脊狀突起元件(2)的上表面方向沉積速率較高，在垂直於脊狀突起元件(2)側壁的方向上沉積速率較低。
5．根據權利要求1的光學波導裝置，其特徵在於，所述襯底(1)不延伸到所述波導元件(4)的下面。
6．根據權利要求5的光學波導裝置，其特徵在於，襯底(1)在波導元件(4)下面的區域至少被除去一部分。
7．根據權利要求6的光學波導裝置，其特徵在於，在襯底(1)被切除的區域中填了一種填充部分(7)，它的熱膨脹係數至少約等于波導元件(4)的熱膨脹係數，或者具有一個熱膨脹係數的預定值，以獲得需要產生的機械裝置應力。
8．根據權利要求5的光學波導裝置，其特徵在於，該光學波導裝置是被機械穩定的，優選地是把它接合在穩定元件上和/或在其上沉積一個穩定層(9)。
9．根據權利要求1的光學波導裝置，其特徵在於，襯底(1)在波導元件(4)下面的區域中進行了化學改進，形成一個修改了的襯底區域(7)，其熱膨脹係數至少約等於所述波導元件(4)的熱膨脹係數，或者具有一個熱膨脹係數的預定值以獲得需要產生的機械裝置應力。
10．根據權利要求1的光學波導裝置，其特徵在於，粘度比下覆蓋層(3)的粘度低的層成分(8)夾在所述襯底(1)和所述下覆蓋層(3)之間。
11．根據權利要求10的光學波導裝置，其特徵在於，所述層成分(8)通過化學修改襯底表面和/或下覆蓋層(3)和/或沉積在所述襯底(1)和所述下覆蓋層(3)之間的一個附加層而製成。
全文摘要
本發明提出了一種光學波導裝置,其包括:一個襯底,襯底上的一個下覆蓋層,下覆蓋層上的一個上覆蓋層,在所說的覆蓋層間的波導元件。襯底對光波導裝置的由應力引起的雙折射的影響是通過改進波導元件下面的襯底而降低的。
文檔編號G02B6/126GK1323404SQ99812089
公開日2001年11月21日 申請日期1999年10月1日 優先權日1998年10月15日
發明者彼得·布落克, 基安－路卡·伯納, 羅蘭·W·傑曼恩, 福爾克特·霍斯特, 依蘭娜·瑪薩裡克, 伯特·J·奧弗雷恩, 胡布·L·薩爾敏克 申請人:國際商業機器公司