Спосіб виготовлення дифракційних елементів та елементів пристроїв інтегральної оптики

1. Способ изготовления дифракционных элементов и элементов устройств интегральной оптики, таких как дифракционные решетки активные элементы канального волновода и направленного ответвителя, включающий воздействие активирующего излучения на исходный образец через фотошаблон, и о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве исходного образца используются монокристаллы полупроводникового соединения IIIV, причем монокристалл помещают в высокополярную жидкость и подвергают воздействию зоно-зонно поглощаемого излучения с плотностью мощности 30-250 мВт/см2 в течение 10-30 мин. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что для формирования дифракционной решетки производят воздействие активирующего излучения на монокристалл при комнатной температуре. 3. Споиоб по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что для формирования активного элемента канального волновода на планарном волноводе производят воздействие на монокристалл III-V активирующим излучением через фотошаблон, имеющий конфигурацию в виде полоски с геометрическими размерами (2-10)*1000 мкм и выполненный из Сг на подложке из кварцевого стекла. 4. Способ по п . 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что для формирования активного элемента направленного ответвителя на планарном волноводе производят воздействие на монокристалл III-V активирующего излучения через фотошаблон, имеющий конфигурацию в виде двух расходящихся под углом (10-20)° каналов, с размерами 3-10 мкм и имеющих длину взаимодействия L = (9002100) мкм с характерным расстоянием между каналами 2-5 мкм. Заявляемое техническое решение относится к области оптических элементов, систем и приборов и может быть использовано для изготовления оптических интегральных схем. Известен способ изготовления дифракционной решетки по патенту Японии № 4 356001, кл. G 02 В 5/18, Н 01 S 3/18, 1993, использующий традиционные методы маскирования и травления. Авторы данного патента используют подложку InP. На данную подложку наносится слой фоторезиста и производится его травление, после облучения последнего световым потоком создаю (21)95041989 (22) 26.04.95 (24)01.04.97 (46)31.10.97. Бюл.'№5 (47)01.04.97 С > VI К) сл о 17250 щим интерференционную картину на поверхности с заранее заданным периодом. Время травления составляет 30 сек. Далее маска фоторезиста удаляется с поверхности подложки. В вытравленных участках из жидкой 5 фазы 1пР формируют слой-заполнитель. При этом эффективность формируемой дифракционной решетки контролируют по толщине слоя-заполнителя. На наш взгляд, данная методика обладая экспрессивностью требу- 10 ет значительных затрат технологического оборудования, что и определяет ее главный недостаток. Другой способ изготовления дифракционной решетки, включающий непосредствен- 15 ное применение светового излучения, описывает патент Японии N? 4-356002, кл. G 02 В 5/18, G 03 F 7/20, 1993. Данный патент описывает изготовление дифракционной решетки на подложке InP и интересен тем, что 20 световое излучение непосредственно формирует дифракционную решетку на поверхности подложки. Согласно описанию данного патента исходный образец помещается в сосуд с газообразным хлором. Интерференцион- 25 ная картина на поверхности создается при помощи Аг+-лазера и метода двухлучевой интерференции. Это излучение возбуждает газообразный хлор на освещенных участках. Именно это возбуждение обеспечивает 30 травление хлором поверхности подложки на освещенных участках. Очевидно, что применение подобного "photo-locking" процесса значительно упрощает технологию изготовления дифракционной решетки в сравнении 35 с предыдущим примером. Однако в этом случае, на наш взгляд, существует известная неточность в формировании профиля штриха дифракционной решетки из-за свободного перемещения возбужденного хлора в 40 газообразной среде (по сравнению с возможностью перемещения атомов и молекул в жидкости и твердом теле). Методики создания волноведущих областей (как-то канальных волноводов, разветви- 45 телей, направленных ответвителей) также многообразны. В частности, патент SU № 1563437, G 02 В 6/12, 1990 описывает изготовление Y-образного разветвителя на основе двойной гетероструктуры 50 Ga/AIGa/GaAs/GaAtAs. При этом угол между выходными оптическими волноводами составляет (10-30), а величина изменения п « 0,014-0,122. В качестве механизма для получения оптического устройства авторы 55 использовали метод ионной имплантации. Патент Японии № 2-46407, кл. G 02 В 6/12, 1991 также описывает изготовление волноводов на базе GaAs. Авторы данного патента используют для создания волноведущей об 4 ласти методы травления (через маску SIO2) и последующего эпитаксиального заращивания протравленных участков ZnSe. Данный процесс авторы предлагают производить при температуре 400-700°С и при давлении 1де полоски с геометрическими размерами -п2)/п2; (2-Ю)* 1000 мкм и выполненный из Сг на п1 - показатель преломления поверхноподложке из кварцевого стекла (рис.3). При сти исходного образца; этом данный материал для изготовления фоd - глубина диффузии (d = 2,5-3,0 мкм), 20 тошаблона был выбран для обеспечения нужной засветки поверхности образца (кочто отвечает образованию в приповерхностэффициент пропускания Сг в видимом дианой области монокристалла планарного волпазоне 1 часа) для получения нужного образца используют монокристалл полупроизменения показателя преломления, а при водникового соединения группы III-V, a мощностях меньших 10 мВт/см 2 данный именно гетеропереход GaAs/Gao.2Alo,8As процесс не имеет места вообще. В случае же 17250 повышения плотности мощности до величин больших 250 мВт/см2, оптические параметры получаемых устройств (в частности величина оптических потерь для канального волновода) ухудшались (очевидно, из-за 5 ухудшения оптического качества поверхности). Выбор данного диапазона температур обуславливался исключительно проблемами практического характера, т.е. обеспечением 10 максимальной простоты и экономичности предложенного метода. Авторы ставили перед собой цель максимального упрощения технологии, а значит отсутствия необходимости обеспечивать сложный температур- 15 ный режим изготовления устройств, что повлекло бы за собой использование дополнительного и дополнительных затрат на электроэнергию. Выбор временного интервала также 20 диктовался решением вопросов уменьшения себестоимости готового изделия, при обеспечении нужных технических параметров. Очевидно, что уменьшить время экспозиции образца нельзя больше из-за невозможности 25 обеспечения нужного изменения показателя преломления в более короткие сроки, а увеличение временного интервала (при уменьшении мощности зоно-зонно поглощаемого излучения) является по-сути ненуж- 30 ной затратой рабочего времени, что влечет удорожание готового изделия. Универсальность данного метода, на наш взгляд, состоит в том, что при помощи подобного применения "photo-locking" процесса 35 можно получить практически все пассивные элементы полупроводниковой интегральной оптики (как-то всевозможные разветвители, интерферометры, волноводные линзы и т.д.) на базе III-V. В частности, результаты данно- 40 го изобретения могут быть внедрены в производство как в Украине ("САТУРН", "АРСЕНАЛ"), так и в зарубежных странах Bell lab., DEC, MTT, SONY Res.Center, (т.е. в тех фирмах-изготовителях, которые непос- 45 редственно занимаются производством оптических интегральных схем на III-V). Примеры реализации дифракционной решетки. П р и м е р 1. Исходный образец GaAs, 50 схема которого приведена на рис.2 с геометрическими размерами 3*3 мм, помещался в кювету, заполненную дистиллированной водой и затем подвергался облучению зоно-зонно поглощаемого излучения. Источником 55 излучения служил He-Cd-лазер, длина волны генерации которого составляет 440 нм. Плотность мощности в пучке лазера составляла 150 мВт/см , а время экспозиции 15 мин. Интерференционная картина создавалась 8 на поверхности образца при помощи метода двухлучевой интерференции с периодом 4 мкм. При этом была получена дифракционная решетка с эффективностью в 8% в первом порядке дифракции. Измерение величины дифракционной эффективности производилось на отражение на длине волны генерации He-Ne-лазера 0,6328 мкм. П р и м е р 2. Исходный образец GaAs, схема которого приведена на рис.2 с геометрическими размерами 3*3 мм,помещался в кювету, заполненную дистиллированной водой и затем подвергался облучению зоно-зонно поглощаемого излучения. Источником излучения служит Аг+-лззер, длина волны генерации которого составляет 488 нм. Плотность мощности в пучке лазера составляла 200 мВт/см , а время экспозиции 10 мин. Интерференционная картина создавалась на поверхности образца при помощи метода двухлучевой интерференции с периодом 1 мкм. При этом была получена дифракционная решетка с эффективностью в 7% в первом порядке дифракции. Измерение величины дифракционной эффективности производилось на отражение на длине вопны генерации He-Ne-лазера 0,6328 мкм. Аналогичные эксперименты были выполнены и для других значений плотностей мощности активирующего излучения, результаты которых приведены в сводной табл.1. Примеры реализации канальных волноводов. П р и м е р 1. Исходный образец GaAs, схема которого приведена на рис.2 с геометрическими размерами 1*3 мм, помещался в кювету, заполненную дистиллированной водой и затем подвергался облучению зонозонно поглощаемого излучения. Источником излучения служил Аг+-лазер, длина волны генерации которого составляет 488 нм. Плотность мощности в пучке лазера составляла 250 мВт/см 2 , а время экспозиции 10 мин. Излучение лазера подавалось на поверхность образца через фотошаблон, выполненный из Сг и имеющий вид, указанный на рис.3 с характерным размером (2*1000) mkm. При этом был получен канальный волновод с затуханием в 5 дБ/см. Измерение величины затухания проводилось на длине волны генерации He-Ne-лазера 1,15 мкм. П р и м е р 2. Исходный образец GaAs, схема которого приведена на рис.2 с геометрическими размерами 1*3 мм, помещался в кювету, заполненную дистиллированной водой и затем подвергался облучению зоно-зонно поглощаемого излучения. Источником излучения служил He-Cd-лазер, длина волны генерации которого составляет 17250 440 им. Плотность мощности в пучке лазера составляла 100 мВт/см , а время экспозиции 25 мин. Излучение лазера подавалось на поверхность образца через фотошаблон, выполненный из Сг и имеющий вид, указанный 5 на рис.3 с характерным размером (10*1000) mkm. При этом был получен канальный волновод с затуханием в 4,1 дБ/см. Измерение величины затухания проводилось на длине волны генерации He-Ne-лазера 1,15 мкм. 10 Аналогичные эксперименты были выполнены и для других значений плотностей мощности активирующего излучения, результаты которых приведены в сводной табл.2. Примеры реализации направленных от- 15 ветвителей. П р и м е р 1. Исходный образец GaAs, схема которого приведена на рис.2 с геометрическими размерами 1*3 мм, помещался в кювету, заполненную дистиллированной во- 20 дой и затем подвергался облучению зоно-зонно поглощаемого излучения. Источником излучения служил Аг+-лазер, длина волны генерации которого составляет 488 нм. Плотность мощности в пучке лазера составляла 25 250 мВт/см2, а время экспозиции 10 мин. Излучение лазера подавалось на поверхность образца через фотошаблон, выполненный из Сг и имеющий вид, указанный на рис.4 с характерными размерами: длина об- 30 ласти взаимодействия - 1000 мкм; ширина волноводных каналов - 3 мкм; расстояние между вол новодными каналами - 3 мкм; угол расхождения - 10°. При этом был получен направленный от- 35 ветвитель, обеспечивающий половинное деление подводимой мощности-между обоими выходными каналами. Характеристика коэффициента передачи была снята на длине волны генерации He-Ne-лазера 1,15 мкм. 40 П р и м е р 2. Исходный образец GaAs, схема которого приведена на рис.2 с геомет 10 рическими размерами 3*3 мм, помещался в кювету, заполненную дистиллированной водой и затем подвергался облучению зонозонно поглощаемого излучения. Источником излучения служил He-Cd-лазер, длина волны генерации которого составляет 440 нм. Плотность мощности в пучке лазера составляла 100 мВт/см , а время экспозиции 20 мин. Излучение лазера подавалось на поверхность образца через фотошаблон, выполненный из Сг и имеющий вид, указанный на рис.4 с характерными размерами: длина области взаимодействия - 900 мкм; ширина волноводных каналов - 10 мкм; расстояние между волноводными каналами - 5 мкм; угол расхождения - 15°. При этом был получен направленный ответвитель, обеспечивающий полную передачу подводимой мощности в один из выходных каналов. Характеристика коэффициента передачи была снята на длине волны генерации He-Ne-лазера 1,15 мкм. Аналогичные эксперименты были выполнены и для других значений плотностей мощности активирующего излучения, результаты которых приведены в сводной табл.3. Полупроводники UI-V и в частности материалы изготовленные на базе GaAs являться на сегодняшний день основной базой для производства монолитных оптических интегральных схем. Именно для них изготовлено и внедрено в производство наибольшее число технологий, позволяющих производить элементы полупроводниковой интегральной оптики. Это и обуславливает приоритет излучения полупроводников UI-V. А значит предложенный метод позволяет не просто расширить возможности лазерной технологии на III-V, но и одновременно перейти именно на те материалы, изучение и применение которых на сегодняшний день идет в мировой практике наиболее интенсивно. Таблица 1 Высоко- Изме- Пери- ДифракционГлубина диффу- Источ- Плотность Время зии d, мкм ник излу- мощности, экспози- полярная не- од ре- ная эффективчения мВт/см 2 ции, t, жидкость ние шетки ность (в первом Лп мкм порядке) мин 2 2 Аг+лазер 4 Аг лазер 250 200 8 10 дистиллированная вода »_ 0,1 1 7% 0,1 2 7% 17250 11 12 Продолжение табл. 1 Высоко- Изме- Пери- ДифракционГлубина диффу- Источ- Плотность Время ник излу- мощности, экспози- полярная не- од ре- ная эффективзии d, мкм ции, t, жидкость ние шетки, ность (в первом чения мВт/см 2 мин Лп мкм порядке) 15 150 He-Cdлазер 2 дистиллированная вода 0,09 4 8% П р и м е ч а н и е . Измерения величины изменения показателя преломления производились при Л - 1,15мкм. Таблица Глубина диффузии (1, МКМ Источ- Плотность Время экс- Высоконик излу- мощности, позиции, t, полярная мин чения мВт/см жидкость 2 Аг+лазер 250 10 2 Аг+лазер He-Cdлазер He-Cdлазер + Аг лазер 200 2 3 2,5 Измене Ширина 2 Затухание, ние Лп вол но-да, дБ/см мкм 0,1 5 5 20 0,11 5 5 250 15 0,09 5 4,8 100 25 0,08 10 4,1 50 35 0,08 10 4,5 дистиллированная вода П р и м е ч а н и е . Измерения величины изменения показателя преломления производились при Л» 1,15 мкм. Таблица Глуби- ИсточПлотность Время экс- Высокона ник излу- мощности, позиции, t, полярная жидкость мВт/см мин чения диффузии d, мкм * 2 Аг+лазер 2 Аг лазер + 250 10 150 15 дистиллированная вода Длина Расстояобласти ние взаимо- между дейст- каналавия, ми, мкм мкм Ширина волномкм Коэф. передачи (в%) ДОВ, 1000 3 3 50 2100 5 5 100 3 17250 13 14 Продолжение табл. 3 Источ- Плотность Время экс- Высоко- Длина Расстоя- Ширина ние ник излу- мощности, позиции, t, полярная области волно2 мин ДОВ, дифчения мВт/см жидкость взаимо- между мкм фузии дейст- каналами, d, мкм вия, Глубина Коэф. передачи (в%) мкм 2 He-Cdлазер 100 3 He-Cdлазер 50 30 1500 5 to 50 900 дистиллированная вода 20 мкм 10 5 100 d Подложка рис.1. пленарный волновод буферный слой (2-3) мкм 10 мкм n -GaAs n--Gao8AlO2As подложка n + - GaAs Рис.2. Сг Кварцевое стекло Рис.3. (2-10)мкм 17250 h Cr (2-5)mtan Кварцевое стекло Рис.4. Упорядник Замовлення 4223 Техред М.Моргентал Коректор М. Самборська Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53. Львівська пл.. 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна. 101