1.3μm低損耗混合式抗共振反射波導

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 指導教授：朱安國博士. 1.3μm 低損耗混合式抗共振反射波導 Low Loss Hybrid Antiresonant Reflection Optical Waveguide Devices At 1.3μm. 研究生：藍英哲撰中華民國九十年六月十一日 1.

(2) 摘要. 本論文首次做出符合準抗共振反射條件的低損耗抗共振反射波導( Polyimide/Ta2O5/SiO 2 waveguide )，波導元件的製作上包含了有機與介電薄膜的技術，是在矽基板上製作包含了有高分子材料的成長、五氧化二鉭的濺鍍與二氧化矽的沉積，此波導針對 1.3μm 波長量測得到在 TE 極化傳輸損耗為 0.4dB/cm、TM 極化傳輸損耗為 1.5dB/cm。同時我們也製作了由 Polyimide/Ta2O5/Polyimide 所組成的抗共振反射波導來做比較。此外也以 EDP 溶液對矽基板做非等向性蝕刻形成 V 型凹槽，藉以了解用室溫下濺鍍的 Ta2O5 當保護層時，其側蝕的現象以及粗糙度的變化情形。在當蝕刻溫度為 120℃時，有最小的側蝕 1.6μm。. 2.

(3) Abstract. A low-loss polyimide/Ta2O5/SiO 2 antiresonant reflecting optical waveguide (ARROW) at quasi-antiresonant condition is presented for the first time. The ARROW device was fabricated using both the organic and dielectric thin film technologies. It consisted of the fluorinated polyimide, tantalum pentoxide (Ta2O5) and silicon dioxide. (SiO 2) hybrid layers deposited on a Si substrate. For TE. polarized light, the propagation loss of the waveguide as low as 0.4 dB/cm was obtained at 1.3 µm. The propagation loss for TM polarized light was 1.5 dB/cm. An ARROW waveguide fabricated using the polyimide/Ta2O5/polyimide material system is also presented for comparison. In addition, anisotropic etching of Si-V grooves were formed using the EDP solution, and room temperature sputtered Ta2O5 was used as the etching mask. At a etching temperature of 1200C, the under cut of the V-groove is 1.6µm.. 3.

(4) 目錄. 第一章導論第二章抗共振反射波導的理論模型 2-1. Hybrid ARROW Waveguide 的結構與工作原理 2-2. Hybrid ARROW Waveguide 的理論模擬 2-3. Hybrid ARROW Waveguide 的應用 2-3.1 Hybrid ARROW Waveguide 與雷射間的耦合效率 2-3.2 Hybrid ARROW Waveguide 與光纖間的耦合效率 2-4. 結果與討論第三章元件製程 3-1. Hybrid ARROW Waveguide 的製作流程 3-2. V-groove 的製作流程 3-3. 結果與討論第四章波導的量測結果與分析 4-1.. 波導的量測. 4-2.. 討論. 第五章結論. 4.

(5) 圖目錄. 第一章導論圖 1-1.光在傳統波導中傳播示意圖. 2. 圖 1-2.光在抗共振反射波導中傳播示意圖. 3. 第二章抗共振反射波導的理論模型圖 2-1. Hybrid ARROW waveguide 結構. 5. 圖 2-2. 厚度、寬度各為 8μm 的 ARROW Waveguide 光場分佈圖. 8. 圖 2-3. Hybrid Arrow Waveguide 剖面結構能量分佈示意圖. 8. 圖 2-4. TE 與 TM 的 Radiation Loss. 9. 圖 2-5.雷射與單模光纖的耦合效率. 11. 圖 2-6.光發送器示意圖. 12. 圖 2-7. 雷射光場能量分佈圖. 13. 圖 2-8. 厚度 7μm 的抗共振反射波導與雷射間的耦合效率. 14. 圖 2-9. 厚度 8μm 的抗共振反射波導與雷射間的耦合效率. 14. 圖 2-10. 水平方向中心對準偏差容忍度. 15. 圖 2-11. 垂直方向中心對準偏差容忍度. 15. 圖 2-12.光纖的光場能量分佈圖. 16. 圖 2-13. Tapered 波導示意圖. 17. 5.

(6) 第三章元件製程圖 3-1. Polyimide 硬烤圖. 20. 圖 3-2. Polyimide 硬烤圖. 21. 圖 3-3. Hybrid ARROW waveguide 製程流程圖. 24. 圖 3-4. Hybrid ARROW waveguide 的三層材料結構 SEM 圖. 25. 圖 3-5. ARROW waveguide 的脊樑圖. 25. 圖 3-6. V-groove 的製程步驟. 28. 圖 3-7.在溫度為 1200C 下蝕刻 Si 的側蝕圖. 29. 圖 3-8. V 型凹槽 SEM 圖. 29. 第四章波導的量測結果與分析圖 4-1. 波導量測系統圖. 31. 圖 4-2.Polyimide/Ta2O5/Polyimide Waveguide 的量測結果. 32. 圖 4-3.Polyimide/Ta2O5/SiO 2 Waveguide 的量測結果. 32. 圖 4-4.光導入波導時的照片(波導長度 1 公分). 33. 6.

(7) 表目錄. 第二章抗共振反射波導的理論模型表 2-1. 兩種理論模型的參數. 7. 表 2-2.使用 Tapered waveguide 的例子. 18. 第三章元件製程表 3-1. EDP 配方. 27. 表 3-2.不同溫度所造成的側蝕寬度. 29. 表 3-3.Ta2O5 對 4 種蝕刻溫度的粗糙度比較. 29. 7.

(8) 8.

(9) 9.

(10) 第一章. 導論. 自雷射光發明以來，由於雷射光具有能量集中及同調光源的特性，故廣泛運用在通訊、資料儲存及量測上,其他相關元件如透鏡、光開關、光檢測器也大量產生，但由於這些元件所組成的系統體積過於龐大，不太具實用性與方便性，故在半導體技術日益進步的今日,運用相似的技術來製造光學元件也就成了一種潮流，而將光學系統製作並整合在同一晶片上更是未來的趨勢，如此即可達到縮小體積、減少重量以及減少系統間偶合的損耗，這就是積體光學[1-4]。在光纖通訊中最常用到的就是雷射與光纖的耦合，但由於這兩種元件的模態差異性過大，故直接耦合時會有很大的損耗[5、6]，因此若藉由光連接元件在兩者間逐步將模態轉換則可以有效提升耦合效率。光連接元件有很多種類，一般是採用數值孔徑較大的如 Si waveguide[7](如圖 1-1 所示)、抗共振反射波導(ARROW waveguide) [8-10](如圖 1-2 所示)。在本文的研究則主要放在低損耗抗共振反射波導的製作。抗共振反射波導與傳統波導的最大差別在於傳統波導因為波導與矽基板之間的折射係數差異過大，若直接將波導建構在矽基板上，將會有很大的能量損失在矽基板上，因此必須在兩者之間成長一層厚厚. 1.

(11) 的緩衝層，成長這一層緩衝層必須要有很好的厚膜技術，而且價錢昂貴。為了改善製作上的困難，而有了抗共振反射波導的出現，它在材料的選擇上是具有多樣性的，且在製作上對於各層材料之折射率與厚度有很好的容忍度，其導光原理是利用在波導與矽基板之間以一層 Fabry-Perot 反射層來將光侷限在波導當中，但由於不是完全以全反射來導光，故將會有一些能量穿過反射層而消耗在矽基板上。選擇抗共振反射波導的另一主要原因是因為它垂直於光傳播的縱向具有單模傳輸與單一極化的作用，同時具有低輻射損耗、低傳播損失的優點，而且與單模光纖耦合時的效率大於一般單模平面波導。當抗共振反射波導及單模光纖兩者的模態大小相互匹配時，其耦合效率會呈現最高。此外由於抗共振反射波導的能量損耗與波長、極化有關，因此也可被應用在濾波器或極化器。 Total internal reflection. Core Buffer layer Si Substrate. 圖 1-1.光在傳統波導中傳播示意圖 2.

(12) Total internal reflection. Antiresonant reflection. Fabry-Perot reflective layer. Core First cladding Second cladding Si substrate. 圖 1-2.光在抗共振反射波導中傳播示意圖在波導的製作上是利用半導體的技術來製作，我們製作了兩種波導，差別只在於第二披覆層的不同，其中一種是選用高分子材料 (OPI-2005 Polyimide)來當導光層以及第二披覆層，另一種則是採用由化學氣相沉積(PECVD)成長的二氧化矽當第二披覆層，第一披覆層則都是使用射頻式磁控濺鍍機沉積五氧化二鉭(Ta2O5)，然後以鋁當保護層經光微影術以及濕蝕刻定義波導區間，最後經由乾蝕刻即可得到脊樑式的抗共振反射波導。第二章為理論模擬分析，我們將先介紹抗共振反射波導的結構與導光原理；另外利用 BPM-CAD 來模擬光發送器( Transmitter )當加入抗共振反射波導做模態轉換元件時對於耦合效率的影響，並計算出中心對準誤差容忍度，以了解在實做時可容許的誤差範圍 [11-13]。第三章將說明抗共振反射波導以及 V 型凹槽的製作方法和製作時所用. 3.

(13) 到的條件，並且對五氧化二鉭在做濕蝕刻時對不同溫度所產生的側蝕現象和粗糙度的變化做比較[14-17]。第四章將說明波導的量測系統以及量測的結果與討論。第五章為結論並探討未來工作的方向。. 4.

(14) 第二章. 抗共振反射波導的理論模型. 本章將對抗共振反射波導的構造組成及應用做一個介紹，其中並使用 BPM-CAD 這套軟體來模擬耦合效率。第一節中將對抗共振反射波導的構造做一個說明，並說明它的工作原理。第二節中將使用 BPM-CAD 對抗共振反射波導做一個理論的模擬。第三節中將介紹抗共振反射波導在光發送器中當光模態轉換元件的應用,並對耦合效率與中心對準誤差容忍度做一個探討。第四節是結果與討論。. 2-1.. 抗共振反射波導的結構及工作原理 Air n0 Core nc , dc First cladding n1 , d1 Second cladding n2 , d2 Substrate ns , ds. 圖 2-1. Hybrid ARROW waveguide 結構抗共振反射波導的結構如圖 2-1 所示，通常第二披覆層和導光層的材料是相同的，在設計結構時，第一披覆層的折射係數會比導光層和第二披覆層大很多，在當第一披覆層厚度達到某一值時，第一披覆層會有最大的反射率，而達到抗共振反射的條件；在波導的設計滿足抗 5.

(15) 共振反射的條件時，在導光層與干涉層間會產生高反射率，而導光層與空氣間的介面則會形成全反射，如此即可減低許多傳播損耗。. 當第一披覆層與第二披覆層的厚度符合以下條件時，抗共振反射層的高反射率將會發生。. 2 λ   nc   λ 1 −   +  d1 ≈ 4 n1   n1   2 n1 d ce . d2 ≈.   . 2.   . −. 1 2. (2 N + 1). d ce (2M + 1) 2. d ce ≈ d c +. N = 0 ,1 , 2 ,… M = 0 ,1 , 2 ,…. λ 2π nc2 − n 02. 其中 dce 代表光場穿透出導光層的等效厚度。 dc、 d1、 d2 分別代表導光層、第一披覆層、第二披覆層的實際厚度。n0、nc、 n1、 n2 分別代表空氣、導光層、第一披覆層、第二披覆層的折射係數。λ 代表入射光源的波長。大部分的情形下 N 與 M 被設計為零。. 6.

(16) 2-2.. 抗共振反射波導的理論模擬當光在波導中傳播會包含有許多不同的模態在裡面，但由於抗共. 振反射波導的特性，其 High order mode 會隨著傳播越遠而衰減更嚴重，故在理論模擬時我們只探討它的 Fundamental mode。用來當理論模擬的工具是使用 BPM-CAD 這套軟體，使用其內建的相關函數法 CFM ( Correlation Function Method ) 即可找出波導 Fundamental mode。在模擬部分使用了三種不同的元件結構，差異在於三者間第二披覆層折射率與材料的不同，在模擬計算的理論模型所使用的到條件如下表所示：表 2-1. 兩種理論模型的參數. 厚度(μm). Core. First cladding. Second cladding. Substrate. 8. 0.5778. 4. --------. 1.6042 (結構 1) 折射率. 1.6042. 2.27. 1.4526 (結構 2). 3.5-0.4i. 1.6242 (結構 3). 在結構-1 我們是選用型號 OPI-2005 的 Polyimide 當導光層和第二披覆層，結構-2 則是選擇由 PECVD 所沉積的 SiO 2 當第二披覆層，第一披覆層則皆是選用 Ta2O5；結構-3 與結構-1 的材料是相同的，差異只在於第二披覆層折射率的不同；選擇 Polyimide 作為導光層的原因是它具有高透明性、高耐熱性、低熱膨脹以及低吸溫等優點[18、19]；選擇 Ta2O5. 7.

(17) 作為第一披層則是因為其光學特性好且折射係數大。經模擬結果所得的光場分佈即如圖 2-2、2-3 所示。. 圖 2-2. 厚度、寬度各為 8μm 的 Hybrid ARROW Waveguide 光場分佈圖. Second cladding First cladding. Core. 圖 2-3. Hybrid ARROW Waveguide 剖面結構能量分佈示意 8.

(18) 此外也使用 Matlab 對抗共振反射波導的 Radiation loss 做模擬計算，如下圖所示：. 結構 1. 結構 3. 結構 2 High-order Antiresonance region. Multi-mode region. 圖 2-4. TE 與 TM 的 Radiation Loss 上圖中的 ncore 為導光層的折射係數，Δn 代表導光層減去第二披覆層的差值，由結果可得知第一種結構也就是導光層與第二批覆層折射率相同時，由於它滿足抗共振反射的條件，故不同的極化在損耗方面將會有較大的差異，TM 波將會有較大的 Radition loss，這是由於抗共振反射條件所產生高反射率的理論是針對 TE 極化的 Fundamental mode 來推導，因此 TM 極化將會有較大的損耗，並且同時 High Order mode 的損耗也會較大，是故它在垂直於傳播方向的縱向可維持單模傳輸。而第二種結構由於折射率的不匹配只能形成準抗共振反射層的條件， 9.

(19) 故兩種不同的極化在 Radiation Loss 上皆很小，且縱向無法單模傳輸會形成多模傳輸狀態，但若此波導是應用於光連接器時，由於波導在光連接器中只是短距離傳播，光由單模光纖出來時仍為單模，耦合進入波導後，只要波導長度不長，那耦合成為多模的部分只會占極小的部分，故仍能維持單模傳輸。而第三種結構是說明實做上由於在製程會因為第二披覆層有多經歷幾次硬烤，導致折射係數的增加，這會使原本的 antiresonant conditions 轉成為 high-order antiresonances，而造成較多的損耗。. 10.

(20) 2-3.. 抗共振反射波導的應用在本節中將介紹光發送器的組成且說明抗共振反射波導在光發送. 器中的所扮演的角色，並利用 BPM-CAD 這套軟體對耦合效率以及對準誤差容忍度作一個模擬計算。在介紹包含有抗共振反射波導的光發送器之前，我們也有對沒包含抗共振反射波導的光發送器做模擬計算它的耦合效率，所使用的雷射波長為 1.3μm，單模光纖其折射係數為 ncore =1.45、ncladding=1.445 ，內徑及外徑分別為 9μm、125μm，所得的結果如下圖所示：. LD Wavelength : 1.3 μm Divergence angle θver. = 37°θhor. = 14°. 圖 2-5.雷射與單模光纖的耦合效率橫軸代表雷射與光纖間隔的距離，由結果可看出半導體雷射與單模光纖間若不加其他任何處理，則其耦合效率最高也不超過 20%，故若利用抗共振反射波導具有較大的數值孔徑(NA)這項優點加入光發射器. 11.

(21) 中，則應可有效的提升偶合效率。. Fiber. ARROW WG. Ta 2O 5. Core. Si V-groove. Polyimide LD Si bench. Si deep etching U-groove. 圖 2-6.光發送器示意圖上圖為光發送器的示意圖，包含了有雷射、抗共振反射波導和光纖，其中利用 V 型凹槽來將光纖固定在矽基板上，U 型凹槽則是為了消去 V 型凹槽所造成的斜邊，藉此減少光纖與波導間的距離以增加耦合效率。在耦合效率的模擬計算上，是分成前後兩部分來做模擬，分別做雷射與抗共振反射波導間的耦合效率計算，以及抗共振反射波導與光纖間的耦合效率計算，之後將兩者計算所得的耦合效率做相乘，這即代表整體的耦合效率。. 12.

(22) 2-3-1 抗共振反射波導與雷射間的耦合效率首先利用 BPM-CAD 來模擬出脊樑式雷射的光場分布圖，如下圖. 圖 2-7. 雷射光場能量分佈圖之後利用 BPM-CAD 裡的功能對抗共振反射波導與雷射來做 Power overlap Integral (POI)，如此即可得兩者間的耦合效率。 2. POI =. ∫E. w. mesh. ∫. mesh. 其中. ( x, y ) ⋅ El ( x, y )dxdy *. ∫ E (x , y ). E w ( x, y ) dxdy ⋅ 2. l. 2. dxdy. mesh. Ew 是 ARROW waveguide 的 fundamental mode 的光場 El 是雷射的 fundamental mode 的光場. 下頁圖為抗共振反射波導厚度 7μm 時不同的寬度隨著與雷射間距離. 13.

(23) ). 的改變的耦合效率( H 表厚度 W 表寬度 )。 H H H H H. %. 4 5. E f f i c i e n c y. (. 4 0. 3 5. 7 7 7 7 7. W W W W W. 3 4 5 6 7. 3 0. 2 5. C o u p lin g. 2 0. 1 5. 1 0 0. 5. 1 0. D i s t a n c e. 1 5. ( μ. 2 0. m. ). 圖 2-8. 厚度 7μm 的抗共振反射波導與雷射間的耦合效率下圖為抗共振反射波導厚度 8μm 時不同的寬度隨著與雷射間距離的改變的耦合效率( H 表厚度 W 表寬度 )。 ). H H H H H. E fficie n c y. (. %. 4 0. 3 5. 8 8 8 8 8. W W W W W. 3 4 5 6 7. 3 0. 2 5. C o u p lin g. 2 0. 1 5. 1 0 0. 5. 1 0. 1 5. D i s t a n c e ( μ. m. 2 0. ). 圖 2-9. 厚度 8μm 的抗共振反射波導與雷射間的耦合效率 14.

(24) 由於在實做時必定會產生對準上的誤差，故也針對對準上的偏差容忍度做一個計算，如圖 2-10、2-11 所示。. C o u p lin g E f f i c i e n c y ( % ). 5 0. H 7 W 3 H 8 W 3 H 8 W 5. 4 0. 3 0. 2 0. 1 0. 0. -3. -2. -1. X. 0. a x is ( μ. 1. m. 2. 3. ). C o u p ling Efficiency ( %. ). 圖 2-10. 水平方向中心對準偏差容忍度. 4 0. H 7 W H 8 W H 8 W. 3 0. 2 0. 1 0. 0. -4. -2. Y. 0. a x is ( μ. 2. m. 4. ). 圖 2-11. 垂直方向中心對準偏差容忍度 15. 3 3 5.

(25) 2-3-2 抗共振反射波導與光纖間的耦合效率所用的單模光纖其折射係數為 ncore=1.45、ncladding =1.445，內徑及外徑分別為 9μm、125μm，利用 BPM-CAD 模擬出光纖的光場分布圖，如下圖：. 圖 2-12.光纖的光場能量分佈圖. 此部份的詳細模擬已經由本實驗室冠模學長完成，其模擬計算的結果可得知當抗共振反射波導厚度和寬度皆為 12μm 時與單模光纖有最佳的耦合效率約 95%。. 16.

(26) 2-4. 結果與討論. 由模擬的結果可歸納以下幾個結論： ( 1 ) 當抗共振反射波導與雷射間的距離越靠近，則可得到較好的耦合效率。 ( 2 ) 當抗共振反射波導的厚度和寬度越小時，由於會有較小的光場形分佈，跟雷射會較近似，故會有較好的耦合效率。 ( 3 ) 當抗共振反射波導的尺寸較小時與雷射雖然有較好的耦合效率，但此時便需付出對準偏差容忍度降低的代價，這在實做上會增加更多的困難。 ( 4 ) 在光發送器的模擬中可得知，若要抗共振反射波導要與雷射有較佳的耦合效率則須設計成較小的尺寸，但在光纖部份則是在抗共振反射波導厚度寬度皆為 12μm 時有最佳的耦合效率，這兩者是互相牴觸的，故為了解決這現象唯有使用 Tapered 式的波導才可解決，下圖即為 Tapered 式波導的示意圖。. 圖 2-13. Tapered 波導示意圖所謂的 Tapered 式波導就是指一端細一端粗的波導，以下即為兩個使用. 17.

(27) Tapered 波導計算所得耦合效率的例子。. 表 2-2.使用 Tapered waveguide 的例子. (d 固定為 3μm). 前端. η1 (%). 後端. η2 (%). η1 *η2 (%). H8W5. 39.09. H8W12. 86.69. 33.89. H7W5. 44.12. H7W12. 80.85. 35.67. 由這兩個結果可以使我們得知，當加入了抗共振反射波導在雷射與單模光纖間之後，則可有效的提升耦合效率從 19%提高約至 36%，約可提高至兩倍，故日後波導的製作勢必要朝這方向努力。在中心對準偏差容忍度方面，我們得到雷射和抗共振反射波導(厚度 8μm 寬度 5μm)在水平及垂直方向的對準偏差容忍度以 3-dB 的損耗來計算為±1.55µm 和±2.1µm，因此在實作方面告訴了我們可容許的對準偏差範圍。. 18.

(28) 第三章元件製程在本章節裡我們將介紹 Hybrid ARROW waveguide 以及 V-groove 的製作流程。 3-1. Hybrid ARROW Waveguide 的製作流程. Hybrid ARROW waveguide 元件的整個製程包含了以下的步驟步驟（一）矽晶片清洗 1. 將晶片置於丙酮溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 2. 將晶片置於異丙醇溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 3. 將晶片置於去離子水溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 4. 以氮氣吹乾，置於烤箱中以 1200C 烤 30 分鐘。. 步驟（二）波導材料的成長 (1) 第二披覆層的成長 1. 以塗抹機塗鋪 Coupler，轉速 4000 rpm，時間 30 秒，置於烤箱中以 1500C 硬烤 30 分鐘。 2. 以塗抹機塗鋪 4µm OPI-2005 Polyimide，慢轉 200 rpm，時間 90 秒；快轉 3600 rpm，時間 40 秒，置於烤箱中以 900C 軟烤 30 分鐘固化。 19.

(29) 3. 用硬烤控制所需要的折射率，以下圖為硬烤條件. 400 350. o. Temperature ( C). 300 250 200 150 100 50 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. Time (min). 圖 3-1. Polyimide 硬烤圖 (2) 第一披覆層的成長以磁式濺鍍法成長 0.5778µm 的 Ta2O5，成長條件如下: 1.成長功率:80 W. 2.操作壓力:0.7 mtorr. 3.流量控制:7.5 sccm. 4.沉積速率:32 Å/min. (3) 導光層的成長 1.以塗抹機塗鋪 8µm Polyimide，慢轉 200 rpm，時間 90 秒，快轉 1600 rpm，時間 40 秒，置於烤箱中以 900C 軟烤 30 分鐘。 20.

(30) 2. 用硬烤控制所需要的折射率，以下圖為硬烤條件. 400 350. o. Temperature ( C). 300 250 200 150 100 50 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. Time (min). 圖 3-2. Polyimide 硬烤圖. 步驟（三）保護層 Al 的成長以熱蒸鍍法成長 0.12 µm 的 Al，成長條件如下: 1.蒸鍍電流: 140 Amp. 2.成長速率: 45 Å/min. 步驟（四）光微影術光阻塗鋪及曝光顯影 1.以光阻塗抹機塗鋪 AZ 4620 光阻，轉速 6000 rpm，時間 40 秒，置於烤箱中以 900C 軟烤 30 分鐘。 2.以 I-line 曝光 47 秒，再以 AZ 400K 顯影液顯影 55 秒，接著置. 21.

(31) 於烤箱中以 1200 硬烤 30 分鐘。. 步驟（五）保護層的濕蝕刻以 H3PO4 : CH3COOH : HNO3 : H2O = 16:2:2:1 的比例蝕刻保護層 Al，以定義出脊樑的位置，蝕刻率為 1028 Å/min。. 步驟（六）導光層的乾蝕刻蝕刻 Polyimide 的配方為蝕刻功率: 250 W，O2: 19.84 sccm，操作壓力: 15 mtorr，蝕刻速率: 0.32 µm/min。. 步驟（七）保護層的清除以 H3PO4:CH3COOH:HNO 3:H2O=16:2:2:1 的比例清除 Al，蝕刻率為 240 Å/min。. 22.

(32) 以下為 Hybrid ARROW waveguide 的製程流程圖 ( 1 ) 塗鋪 OPI-Coupler. coupler. ( 2 ) 塗鋪 OPI-Polyimide ( second cladding ) polyimide. ( 3 ) 成長 Ta2O5 ( first cladding ) Ta2 O5. ( 4 ) 塗鋪 OPI-Polyimide ( core ) polyimide. 23.

(33) ( 5 ) 熱篜鍍保護層 Al 和塗鋪光阻光阻保護層 Al. ( 6 ) 光微影術及濕蝕刻. ( 7 ) RIE 乾蝕刻. ( 8 ) 清除保護層 Al. 圖 3-3. Hybrid ARROW waveguide 製程流程圖 24.

(34) 圖 3-4. Hybrid ARROW waveguide 的三層材料結構 SEM 圖. 圖 3-5. ARROW waveguide 的脊樑圖 25.

(35) 3-2. V-groove 的製作流程 V 型凹槽製作的目的是使得單模光纖 (SMF)能夠固定於內，與 ARROW waveguide 能夠耦合，在 SMF 的中心對準 ARROW waveguide 的中心時，其耦合效率最高。我們是選擇以 EDP 溶液對 Si 作蝕刻，而蝕刻後的 V 型凹槽會產生側蝕的情形且表面粗糙度會因蝕刻劑的浸泡而有所改變。側蝕會影響中心的對準而產生偏移，而粗糙度則會影響導光效率，故對這兩點需加以做一個探討。以下為製作流程：步驟（一）矽晶片清洗 1. 將晶片置於丙酮溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 2. 將晶片置於異丙醇溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 3. 將晶片置於去離子水溶液中，以超音波震盪器強度 9 振 10 分鐘。 4. 以氮氣吹乾，置於烤箱中以 1200C 烤 30 分鐘。. 步驟（二）背面保護層 Ta2O5 的成長以磁式濺鍍法在 Si 背面成長 0.4µm 的 Ta2O5；成長條件如下: (1)成長功率:80 W. (2)操作壓力:0.7 mtorr. (3)流量控制:7.5 sccm. (4)沉積速率:32 Å/min. 步驟（三）矽晶片清洗，同步驟（一） 26.

(36) 步驟（四）光微影術 1.以光阻塗抹機塗鋪 AZ 4210 光阻，轉速 6000 rpm，時間 40 秒，置於烤箱中以 900C 軟烤 30 分鐘。 2.以 I-line 曝光 35 秒，再以 AZ 400K 顯影液顯影 35 秒. 步驟（五）正面保護層 Ta2O5 的成長以磁式濺鍍法在 Si 正面成長 0.5778µm 的 Ta2O5；成長條件如下: (1)成長功率:80 W. (2)操作壓力:0.7 mtorr. (3)流量控制:7.5 sccm. (4)沉積速率:32 Å/min. 步驟（六）保護層 Ta2O5 的剝離將試片放入丙酮中，直至要剝離的部分完全剝落為止。. 步驟（七）使用 EDP 蝕刻試片蝕刻 V 型凹槽的 EDP 配方如下表所示: 表 3-1. EDP 配方 H2O. 120c.c.. P.C(C 6H6O2). 45g. EDA(NH2CH2CH2NH2). 255c.c.. 27.

(37) 以下為 V-groove 的製程流程圖 ( 1 ) 背面成長保護層 Ta2O5. Ta2 O5. ( 2 ) 正面做光微影術光阻. ( 3 ) 正面成長保護層 Ta2O5 Ta2 O5. ( 4 ) 掀離保護層 Ta2O5. ( 5 ) 使用 EDP 蝕刻. 圖 3-6. V-groove 的製程步驟 28.

(38) 表 3-2.不同溫度所造成的側蝕寬度保護材料. 溫度. 蝕刻率. 側蝕寬度. Ta2O5 Ta2O5 Ta2O5 Ta2O5. 900C 1000C 1100C 1200C. 0.665 µm/min 0.825 µm/min 1.053 µm/min 1.358 µm/min. 2.80 µm 2.61 µm 2.30 µm 1.61 µm. 圖 3-7. 在溫度為 1200C 下蝕刻 Si 的側蝕圖. 圖 3-8. V 型凹槽 SEM 圖. 表 3-3.Ta2O5 對 4 種蝕刻溫度的粗糙度比較 EDP 蝕刻前的粗糙度. 43.75 ± 7.51 Å. EDP 蝕刻 90℃ etching 2.5 hr. 49.5 ± 13.92 Å. EDP 蝕刻 100℃ etching 2.5 hr. 67 ± 7.54 Å. EDP 蝕刻 110℃ etching 2.5 hr. 47 ± 8.37 Å. EDP 蝕刻 120℃ etching 2.5 hr. 45 ± 11.17 Å. 29.

(39) 3-3. 結果與討論在製作 V-groove 的實驗中可以得知，在越高的溫度下所產生的側蝕現象會較小，這是由於在高溫下蝕刻至相同深度所需的時間較少，故可推測得知試片浸泡在 EDP 溶液中的時間長短將會影響側蝕的大小，其中以 120℃所造成的側蝕 1.6μm 最小。而在粗糙度部份，經由實驗結果可以得知蝕刻前後不論是哪種溫度對於表面粗糙度都並不會有太大的變化，約在數十 Å 左右，這對於導光時因表面不平整所造成的光損耗將可減至最小，同時也可知道 Ta2O5 是非常適合當蝕刻矽基材時的保護層。. 30.

(40) 第四章. 波導的量測結果與分析. 在本章第一節中將介紹波導的量測方法以及量測結果。第二節是討論。. 4-1.. Hybrid ARROW waveguide 的量測我們是採用 cut-back 的方法對脊樑型 Hybrid ARROW waveguide. 進行量測。首先我們以 He-Ne 雷射 0.6328µm 可見光與波導進行對準導光，待光源導入之後，切換成 1.3µm LD 進行量測，量測系統架構如圖 4-1 所示。. G.T. Polarizater. Pi. 1.3μ m LD. Po Waveguide Detector. Coupler Lens. Lens. 0.6328μ m He-Ne Laser. Lens. 圖 4-1. 波導量測系統圖傳輸損耗的計算方式如下式 P Loss ( dB) = 10 * log 10  o  Pi.   . 其中 Pi 為輸入功率; Po 為輸出功率. 31. Lens.

(41) 量測結果：下圖為 Polyimide/Ta2O5/Polyimide Waveguide 的量測結果. -2. TE TM. Insertion Loss (dB). -3. -4. -5. -6. -7. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. Waveguide Length (cm). 圖 4-2.Polyimide/Ta2O5/Polyimide Waveguide 的量測結果. 下圖為 Polyimide/Ta2O5/SiO 2 Waveguide 的量測結果. -2. TE TM. Insertion Loss (dB). -3. -4. -5. -6. -7. -8 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. Waveguide Length (cm). 圖 4-3.Polyimide/Ta2O5/SiO 2 Waveguide的量測結果 32.

(42) 4-2. 結果與討論由量測結果發現，以 Polyimide 當第二披覆層的波導，TE 模態的損耗為 0.62dB/cm，TM 模態的損耗為 2.28dB/cm；以 SiO 2 當第二披覆層的波導，TE 模態的損耗為 0.44dB/cm，TM 模態的損耗為 1.48dB/cm。結果可以得知以 SiO 2 當第二披覆層的波導的損耗是比以 Polyimide 當第二披覆層的波導還要小，但極化的差異性也相對的降低。在製作時我們發現導光層與第二披覆層所用的Polyimide由於是使用加熱的時間長短與溫度高低來固化與控制折射率，但第二披覆層在整個製程中還會額外經過幾次硬烤，而這都會影響到折射率的控制，導致形成抗共振反射條件的效率變差而增加了損耗。. 圖 4-4.光導入波導時的照片(波導長度 1 公分). 33.

(43) 第五章結論. 如何減少在光耦合時所造成的損失是光纖通訊所需解決的問題，為了提高光纖通訊的品質，我們已針對光發送器做理論模擬計算，探討加入光模態轉換元件後對於耦合效率的影響，由模擬結果得到當以 Tapered 式的抗共振反射波導加入光發送器中當光模態轉換元件，則可以有效的將耦合效率由原本的 19%提升至 36%，這結果將提供我們未來實做上的一個方向。在抗共振反射波導的製作上，經由量測結果得到由 Polyimide/Ta2O5/Polyimide 所組成的波導在 TE 傳輸損耗為 0.62dB/cm、 TM 傳輸損耗為 2.28dB/cm。另外一種由 Polyimide/Ta2O5/SiO 2 所組成的低損耗波導，其 TE 傳輸損耗為 0.44dB/cm、TM 傳輸損耗為 1.48dB/cm。在蝕刻 V-groove 以 Ta2O5 當保護層時，在 120℃的條件下有最小的側蝕現象；在粗糙度部份則是蝕刻前後並不會有太大變化。. 34.

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