二氧化硅光波导膜材料的制备工艺

Optoelectronics 光电子, 2014, 4, 34-43

Published Online September 2014 in Hans. /journal/oe

/10.12677/oe.2014.43006

Fabrication Process of Silica Film for Optical Waveguides

Jindong Wu1,2*, Shu Huang1,2, Haixing Hu1,2, Gangjing Ding1,2, Xiangjie Xiao1,2

1Shenzhen Optical Fiber Sensing Engineering Technology R&D Center, Shenzhen

2T&S Communications Co. Ltd., Shenzhen

Email: *petter.wu@

Received: Jul. 23rd, 2014; revised: Jul. 30th, 2014; accepted: Aug. 8th, 2014

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/licenses/by/4.0/

Abstract

SiO2 based planar waveguide circuit device has found increasing application in optical communi-cation and optical sensing. The deposition of SiO2 thin film is the basis of fabricating PLC and inte-grated devices. PECVD (Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition) and FHD (Flame Hydrolysis Deposition) are the typical techniques for depositing SiO2 thin film. In this paper, the influence of process parameters on thin film performance is discussed, showing that the hybrid process of PECVD and FHD is the most competitive way to fabricate PLC devices on SiO2 substrate.

Keywords

Planar Lightwave Circuits, Silica Film, PECVD, FHD

二氧化硅光波导膜材料的制备工艺

吴金东1,2*，黄舒1,2，胡海鑫1,2，丁纲筋1,2，肖湘杰1,2

1深圳市光纤传感工程技术研究开发中心，深圳

2深圳太辰光通信股份有限公司，深圳

Email: *petter.wu@

收稿日期：2014年7月23日；修回日期：2014年7月30日；录用日期：2014年8月8日

*通讯作者。

摘要

二氧化硅(SiO2)平面光波导器件在光通信和光传感的应用日益广泛，制备SiO2膜材料是平面光波导及其集成器件制作的基础。等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)和火焰水解沉积(Flame Hydrolysis Deposition, FHD)工艺是制备SiO2厚膜的典型方法, 本文分析总结了制备工艺参数对膜层性能的影响，说明PECVD + FHD混合工艺是SiO2型PLC器件最具竞争性的制作方法。

关键词

平面光波导，二氧化硅膜，等离子增强化学气相沉积，火焰水解沉积

1. 引言

平面光波导(Planar Lightwave Circuit, PLC)是采用半导体工艺将光学元件集成到一块芯片上，实现对光信号复杂控制处理功能的光器件技术[1] [2]，已经大量应用的PLC器件有光分路器(Splitter)、阵列波导光栅(AWG)、光开关(Switch)、可调光衰减器(VOA)、光波导模式光谱(OWLS)传感器等。目前，无源器件与有源、MEMS融合是PLC技术的重要发展方向，可开发出新型的多功能集成器件[3]，如VMUX (VOA + AWG)、WSS (Switch + AWG)、加速度计、压力传感器、微型麦克风(智能手机)等。PLC不但能实现光电器件集成化、规模化、小型化，而且具有性能稳定、适于规模化生产、成本低等优势。

通常，Si基PLC为四层结构(如图1所示)：Si衬底、缓冲层(下包层)、芯层和覆盖层(上包层)。SiO2基PLC为三层结构，SiO2即是基底，也充当下包层，多用来制作PLC分路器。可制作PLC的材料有二氧化硅(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP，GaAs)、绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)、氮氧化硅(SiON)、玻璃和聚合物(Polymer)等，其中SiO2、InP、GaAs、SOI、SiON和Polymer波导以半导体刻蚀工艺制作，LiNbO3和玻璃波导以离子扩散工艺制作。光波导芯层材料传输光信号，要求传输损耗低、厚度尺寸和折射率均匀一致、双折射小，且与包层的界面光滑平整。PLC还要求包层足够厚，如0.34%~0.75%Δ光波导需要上下包层厚度达到12~20 um，以保证传输的光波不会被泄漏；其次包层材料的温度特性与芯层差异要小，以减小波导中产生应力双折射而影响性能，如AWG偏振相关性和中心波长温度敏感性；此外包层材料应具有良好的流动性，因为光波导芯层已被刻蚀出台阶和沟槽状，这样才能完全填充芯层与包层的空隙达到紧密的包裹效果。通常在SiO2材料中需掺入一定的B2O3、P2O5和GeO2等，调节SiO2的折射率、热膨胀系数和软化温度。

Figure 1. Cross section of PLC

图1. PLC的层结构截面示意图