[发明专利]紫外光直写制作掺铒杂化SiO2光波导放大器的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种光通信技术领域光放大器件的制作方法，特别涉及一种紫外光直写制作掺铒杂化SiO₂光波导放大器的方法。

背景技术

掺铒光波导放大器(EDWA)，由于其内部铒离子Er³⁺能级⁴I_13/2→⁴I_15/2受激跃迁，可以对通信波长1.55μm范围的光信号进行放大，并且具有紧凑的光波导结构，尺寸小，可集成化，易于实现光电混合集成，因此得到了广泛的关注及研究，并应用于光通信领域，具有良好的发展前景。

目前掺铒光波导放大器的制作是首先在Si基片上生长SiO₂下包层，然后再用火焰水解法(FHD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，溶胶-凝胶(sol-gel)等方法生长波导芯层并掺杂铒，常用的芯层材料是Si、SiO₂、Al₂O₃等III和IV族物质，其中SiO₂具有本征损耗低、价格低廉、与下包层完美匹配，且与石英玻璃通信光纤的兼容性好等优点，成为普遍应用的掺铒基质材料。为了使光波模式在波导中很好的限制传播，芯层SiO₂与上、下包层应具有高折射率差，而且高折射率差能够实现小的弯曲波导半径，使波导器件结构更加紧凑，因此要对芯层SiO₂进行掺杂，提高其折射率。PECVD和FHD能够通过在淀积过程中掺磷和锗等杂质调整薄膜折射率，但是制作工艺需要昂贵的设备和复杂的生产过程。溶胶-凝胶法具有工艺简单、易用、价廉、原料纯度高、所得材料均匀性好、热处理温度低、易于掺杂等优点，能广泛地适用于各种光功能薄膜和平面波导制备上，铒离子也很容易均匀而且高浓度的掺入波导材料中。然而传统的溶胶-凝胶法很难获得符合器件要求厚度且无龟裂的SiO₂薄膜，多次涂膜-退火制备工艺会导致薄膜上出现斑点、粘污等缺陷，影响波导的质量，增加器件损耗。

现有光波导放大器的典型制作工艺为：在芯层上经过图形掩膜、光刻、显影和反应离子刻蚀等一系列工艺制作，这种工艺过程复杂、设备昂贵、生产成本高、效率低，不适合大规模的批量生产。

发明内容

本发明的目的是要克服背景技术存在的不足，提供一种紫外光直写制作掺铒杂化SiO₂光波导放大器的方法，该方法可以一次性获得满足器件要求厚度和折射率的均匀且高浓度掺铒SiO₂芯层材料，不再使用昂贵的设备及繁琐的刻蚀工艺。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种紫外光直写制作掺铒杂化SiO₂光波导放大器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：先用热氧化法在单晶Si衬底上生长下包层；

步骤2：利用有机/无机杂化的溶胶-凝胶法制备掺铒光敏性SiO₂材料；

步骤3：在下包层上旋涂光敏性杂化SiO₂薄膜作为芯层；

步骤4：前烘，固化；

步骤5：然后利用紫外光通过掩模版进行曝光，将器件图形直接复制到芯层上；

步骤6：显影、后烘，获得条形掺铒波导放大器。

其中下包层的厚度为10微米-20微米的SiO₂。

其中光敏性杂化SiO₂薄膜为光敏性SiO₂材料。

其中有机/无机杂化掺铒光敏性SiO₂材料的制备，是用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷作为反应先躯体，盐酸溶液为催化剂，混合搅拌水解，掺入四丙氧基锆调节折射率，硝酸铒溶液提供铒离子，正丙醇为溶剂，掺入1-羟基-环己基苯酮使得材料具有光敏性，避光条件下过滤老化成胶体。

其中紫外光通过覆盖在光敏性杂化SiO₂薄膜上的刻有波导图形的掩模版进行曝光，使掩模版透光部分下的被曝光的薄膜由于金属锆进一步进入有机网络中，使折射率增大；未曝光的部分折射率不变；掺入光敏剂1-羟基-环己基苯酮的光敏性SiO₂材料是一种负性感光材料，用正丙醇为显影剂，薄膜未曝光的部分经过显影将会被去掉，被曝光的薄膜会留下，形成条形波导，从而制成条形掺铒波导放大器。