紫外写入法制作列阵波导光栅(AWG)地研究.pdfVIP

紫外写入法制作列阵波导光栅(AWG)的研究 吴远大张乐天邢华李爱武郑伟刘国范张玉书 吉林大学电子科学与工程学院光电子盈家重点实验室-长春市130023 摘蟹 本义提出了一种可能代替传统的利用反应离子剿蚀法(RIE)来制作列阵波导光栅(AWG)的新方法—一紫外写入法·对 觜外写入法制作AWG的可行性和优缺点进行了分析，设计了AWG版图．并对整个=I=艺流程进行了设计和优化· 关键词紫外写奄、列阵波导光栅、火焰水解法 引言：列阵波导光栅(AWG)是密集波分复用，解复用(DWDM)系统中的关键器件，它传 播损耗小，与光纤耦合效率高，被认为是最有发展前途的一种新型波分复用器件[1—3]。列 离子增强化学气相沉积法)在单晶硅村底上淀积一层Si02厚膜作为下包层，经过高温致密 化处理后再在上面淀积一层掺杂Geqf：勺SiO：厚膜作为波导芯层，再次高温致密化处理后， 利用反应离子刻蚀法在波导芯层上刻蚀出脊形AWG图形，然后再淀积一层Si02厚膜作为 上包层，从而制作出AWG器件．这种制作工艺在国外已经比较成熟，并且制成的器件也已 经达到商用化水平。但是，它也存在工艺复杂、刻蚀设备昂贵和器件中心波长不准等问题 f4．61。因此，有必要寻找一种经济快捷的新工艺来制作AWG器件。近些年来对光学敏感性 的研究有了很大的进展。利用紫外写入法在光纤上制作光栅的技术已经相当成熟[7】，而利 用紫外写入法在掺杂Ge02的Si02厚膜玻璃上制作条形波导的技术也时有报道【8】。这些技 术都是利用了纤芯或Si02厚膜中锗对紫外光的敏感性(Ge02在5．0eV或者说242nm附近存 在一个很强的吸收带)，即利用了在紫外光的作用下，光纤纤芯或掺锗的二氧化硅厚膜中的 折射率会发生显著变化这种现象。另外，利用反应离子刻蚀法制作出来的AWG还存在着中 心波长偏离设计值的问题，而采用紫外光诱导折射率的微小变化可以实现AWG器件中心波 长的可调性，从而使中心波长得到调整【9】．在此基础上。我们提出了一种新的制作AWG的 T艺设想，即利用火焰水解法在单晶硅衬底上淀积三层Si02厚膜，其中中间的一层为掺杂 Ge02的Si02厚膜．然后用紫外写入法在该类似光纤结构的厚膜上直接形成折射率变化的 AWG图形。 理论和实验基础： 近些年来Ge02．Si02玻璃中的光敏特性引起了人们极大的关注，这种光敏特性存在于 GeO，．SiO：玻璃的5eV吸收带附近。它导致的直接结果是在紫外光的照射下，玻璃中的折射 率能发生较大的变化。引起这种现象的确切原因还有待进一步的探索，到目前为止，已经提 出了掰种比较合理的机制，一种是与Ge02一Si02玻璃中的氧不足引起的锗缺陷中心有关，锗 缺陷中心的存在使得它在5eV附近存在一个很强的吸收带，因而导致折射率的周期性变化， 从而引起著名的Hill光栅效应和二次谐波的产生。日本的Nishii等人提出了两种与Ge相关 (由两个氧配位的Ge”)。这两种缺陷都能引起5eV附近的吸收，通常简称“5eV带”。其 中，由NOMV引起的吸收在室温下很容易被紫外光漂白，并通过K-K关系在玻璃中引起折 射率变化。对于标准单模光纤，纤芯锗的含量约为3％(纤芯和包层的折射率差A～3xlff3)， 紫外光引起的折射率变化能达到一3×10一。对具有类似结构的掺杂Ge02的Si02厚膜也大致 如此。当然，增加Ge02的含量，紫外光引起的折射率变化值也能得到相应的提高。当然， 这个变化值还是比较小的，如果采取增敏措施，即在纤芯或厚膜中掺入其它的物质(如注氢) 或者在适当的温度下作进一步的处理，就能引起折射率更大的变化。如在标准单模光纤中掺 ·560· 入3 栅或波导已经足够用了。另一种机制与玻璃材料的压缩和膨胀有关。已有几个实验组报道t 当Ge02．Si02玻璃中Ge02的摩尔含量大于25％时，在紫外光辐照下．会呈现出大的负折射 率变化。日本的Hideo 光照射下，负的折射率变化达到了4％到8％，而材料体积增量也超过了18％【11】。 本实验组通过近两年的实验，已经利用火焰水解法结合高温处理在单晶硅片上获得了光 um，掺杂 滑透明的玻璃态si02厚膜和掺杂Ge02的si02厚膜．其中Si02膜厚度超过了20 我们还进行了紫外光诱导折射率变化的初步实验，并取得了令人满意的结果。 实验方案：