1*2之大角度偏折波導分光器

全文

(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. 1×2 Y-branch 之大角度偏折波導分光器. 1×2 Y-branch waveguide power splitters with large angle bends. 研究生：李沛宸撰. 中華民國九十一年六月 1.

(2) 誌謝光陰似箭，歲月如梭，在這充實的兩年研究生活裡，特別要感謝我的指導教授朱安國博士，無論於生活或是實驗上都給予我無微不至的照顧及諄諄教誨，在老師身上不止習得專業技能與知識，最重要學習了代人處世的態度與道理，開創我未來人生的里程。感謝光電所的諸位老師以及縫治、志宏、亦德、英哲、少鈞、建州等學長的教導，同時也感謝兩年來同甘共苦的夥伴怡箴、建福、壽志、毓芳、郡繡、詩蕾，大家彼此勉勵與支持。另外要感謝上詠光電公司林靖淵學長及王玫莉小姐、光合訊光電公司童儒達博士、與光纖通信與光纖系統實驗室之同學在實驗儀器上的幫助，使得我們的實驗得以順利進行。還要感謝實驗室的學弟們，打點實驗室的瑣事，以及帶來許多歡笑。感謝我的祖父母、父母、家人及親朋好友的鼓勵與照顧，使我在求學過程中無後顧之憂，並造就了現在的我。最後僅將此篇論文獻給我最愛的父母、老師、家人及朋友們，我的榮耀與喜悅與他們共享。. 2.

(3) 摘要. 本論文首次做出利用埋藏式波導及 micro-prism 波導結構組成的 Y-branch 光學分光器。此 1×2 分光器結構組成包含：擴張光傳播的區域、傳統 Y-branch 分光區、以及含有兩個 micro-prisms bends 之大角度偏折波導。在 1×2 分光器的製程上，首先必須利用 PECVD 於 Si 基板上成長一層約 10µm 厚的二氧化矽(SiO2)，而元件的導光區域是在 SiO2 批覆層上蝕刻出槽溝，並且填入導光高分子材料(BCB polymer)，最後在做完回蝕製程時，可更進一步在我們的元件上塗鋪薄薄的一層高分子材料(SOG)，以便來平坦表面。在量測上，我們將針對 1.3µm 的波長作量測，量得波導的傳輸損耗 0.47dB/cm；而量測得 1×2 分光器最小之功率傳輸效率為 3.7dB。在論文中，也將討論利用 BPM 軟體所模擬結果。. 3.

(4) Abstract A Y-branch optical power splitter based on the buried waveguide and the micro-prism waveguide bends is presented. The 1×2 splitter consists of a beam expanding region, a conventional Y-branch region, and two micro prisms providing large angle waveguide bends of device. The 1×2 splitter are fabricated by first depositing a 10-µm-thick PECVD oxide (SiO2) on Si s ubstrates. The guiding core of the device was fabricated by etching trenches in SiO2 cladding, and filled with Benzocyclobutene (BCB) polymer. After etch-back process, the thin layer of spin on glass (SOG) is used to further planarized the surface of the device. The propagation loss of the waveguide is 0.47dB/cm at λ=1.3µm. The normalized power transmission efficiency of the 1×2 splitter as large as 3.7dB was obtained. Simulation results based on beam propagation method (BPM) of the splitter is also presented.. 4.

(5) 目錄第一章. 簡介. 1. 第二章. 理論模擬與應用. 6. 2-1. 埋藏式高分子波導之結構分析. 6. 第三章. 第四章. 第五章. 2-2. Micro-prism 偏折結構之分析與討論. 11. 2-3. 應用偏折於 1×2 Y-branch 分光器之分析. 17. 波導製作. 23. 3-1. 埋藏式高分子 BCB 波導之製程流程. 23. 3-2. 製程結果與討論. 31. 波導量測結果與分析. 35. 4-1. 波導的量測. 35. 4-2. 量測結果. 37. 結果與討論. 40. 5.

(6) 圖目錄第一章. 簡介. 圖 1-1. (a) 埋藏式波導圖 (b) 脊樑式波導圖 (c) 擴散式波導圖. 2. 圖 1-2. 偏折波導上視圖. 3. 圖 1-3. Micro-prism bends and 1×2 Y-branch power splitter. 4. 第二章. 理論模擬與應用. 圖 2-1-1. 埋藏式波導側邊結構圖. 8. 圖 2-1-2. 光纖與波導之耦合效率圖. 9. 圖 2-1-3. 波導之基模光場圖. 10. 圖 2-2-1. 直接偏折結構圖. 11. 圖 2-2-2. Micro-prism bending 波導結構圖. 12. 圖 2-2-3. 直接偏折結構圖. 13. 圖 2-2-4. Micro-prism bending 固定偏折長度之結構圖. 14. 圖 2-2-5. S bending 固定偏折長度之結構圖. 15. 圖 2-2-6. Micro-prism bending 與 S bending 之輸出效率比較圖. 16. 圖 2-3-1. 傳統式 Y-branch 分光器. 17. 圖 2-3-2. 含有 Micro-prism 之 1×2 Y-branch power splitter. 17. 圖 2-3-3. 傳統式 1×2 Y-branch 分光器之尺寸大小. 19. 圖 2-3-4. 含有 micro-prism 之 1×2 Y-branch power splitter. 6.

(7) 19. 的尺寸大小圖 2-3-5. 傳統式分光器與含有 micro-prism 分光器之輸出效率. 20. 比較圖圖 2-3-6. 1×2 Y-branch power splitter 前級輸出場型圖. 21. 圖 2-3-7. 1×2 Y-branch power splitter 與後級偏折 9° 輸出場 22. 型圖第三章. 波導製作. 圖 3-1-1. BCB polymer 加熱固化圖. 26. 圖 3-1-2. SOG 加熱固化圖. 27. 圖 3-1-3. 埋藏式高分子波導之流程圖. 30. 圖 3-2-1. 埋藏式 BCB 波導之槽溝側邊圖. 32. 圖 3-2-2. 埋藏式 BCB 波導之側邊剖面圖. 32. 圖 3-2-3. Y-branch 結構之上視圖. 34. 圖 3-2-4. 1×2 Y-branch 分光器與 micro-prism 3° bending 34. 上視圖第四章. 波導量測結果與分析. 圖 4-1-1. 波導量測系統圖. 35. 圖 4-1-2. 元件量測示意圖. 36. 圖 4-2-1. Channel waveguide 的量測結果. 37. 7.

(8) 圖 4-2-2. 1×2 Y-branch power splitters 輸出比較圖. 8. 38.

(9) 表目錄第二章理論模擬與應用表 2-1-1. 各層材料之折射率及厚度. 8. 第四章波導量測結果與分析表 4-2-1. 1×2 Y-branch 分光器之模擬值與實驗值比較. 9. 39.

(10) 第一章. 簡介. 在資訊爆炸的年代，通訊的便利日漸重要，早期人們為了能方便與遠方的親朋好友聯絡，發展出電報、電話等等之利器。隨著時代的進步，人們也逐漸邁向地球村的年代，通訊在生活上變成了不可或缺的一項新科技，大家也越來越依靠網路的便利，資料量的傳送相對也大幅增加，於是乎光通訊發展的空間也更加廣泛，通訊元件也更需滿足人類的需求。許多光電元件目前已被發展的很好，例如：雷射、光檢測器、透鏡、光開關等等，而想將主被動元件整合在一起，可想而知體積是龐大的。早在 1960 年代，整合光學(Integrated Optics)概念就被提出，許多人便開始研究如何利用光纖取代傳統電線，也研究如何將光學系統積體化(Integration)，這種整合技術即被稱為平面光波導 (Planar Lightwave Circuit, PLC)技術[1]。PLC 的設計符合未來網路通訊中高敏感度、高速、低成本及低雜訊的要求，其顯示我國 IC 製造產業在光電元件領域中的另一個發展方向，近年來由於 VLSI 的需求，使得半導體技術日異進步，利用這些成熟的技術來整合光學的主動與被動元件，以達到元件小、品質佳的地步。光波導元件有多種不同的結構，本研究選擇了埋藏式高分子波導，如圖 1-1.所示，將埋藏式(Buried)波導與脊樑式(Ridge)、擴散式. 10.

(11) (Diffusion)波導作比較，埋藏式波導比起傳統的脊樑式波導更具有平坦的特性，非常適合光學元件積體化的製作，並且可提升元件的良率 (Yield)；而與擴散式的波導比較，埋藏式波導其導光層折射率分布較均勻，且深度也較深，在形狀的控制上也較容易，我們是利用電漿蝕刻技術來控制導光層形狀與深度，因此可根據需求來控制深度，例如：若要提高與光纖耦合之效率(Coupling efficiency)，可將導光層設計成較大的面積，同時也可利用不同的深度及寬度來控制光的傳播模態數。 Cladding Core Core. Core. (a). (b). (c). 圖 1-1. (a) 埋藏式波導圖 (b) 脊樑式波導圖 (c) 擴散式波導圖. 埋藏式波導的結構非常適合製作大角度之偏折波導[5-7]，如圖 1-2.所示，在所標示的 Prism 處，若是利用埋藏式波導的製程方式，只需在 Prism 兩旁蝕刻出槽溝的形狀，再填入導光材料即可，此方式可直接將基板(Substrate)當成 Prism 的材料，即可達成定義 Prism 形狀 11.

(12) 之目的，因此製程較為簡單；而利用脊樑式波導的製程方式，必須另外考慮 Prism 的材料，而且在製程上要製作大角度偏折波導的結構，對於 Prism 的尖角及斜邊部份，製程上較困難且複雜。因此埋藏式波導的製作方式對我們來說不僅簡化了製程的步驟、控制了波導形狀，也利用了製程上所產生的現象來達到我們的要求。將於第二章節中詳加說明。. ncore ncore. Prism ncladding. nprism. α nprism=ncladding. 圖 1-2. 偏折波導上視圖. 我們是將偏折結構應用於 1×2 Y-branch 分光器(power splitter)上 [3-4, 9-14]，如圖 1-3.所示，我們將應用大角度的偏折方式來降低元件整體的面積，通常市面上的元件長達幾公分，但是看到下圖元件總長僅約 0.3 公分，足足少了數倍之多，除此之外，經由模擬得知，元件在降低面積的同時，還能保持其良好的分光特性，也將於本論文中第二章探討元件組成結構、輸出效率及特性。. 12.

(13) Micro-prism α θ. 250µm. 3mm. 圖 1-3. Micro-prism bends and 1×2 Y-branch power splitter. 在分光器元件上的整個製作流程，包含了金屬蒸鍍(Thermal evaporation)、光微影術(Photolithography)、濕蝕刻技術(Wet etching)、乾蝕刻技術(Dry etching)、高分子材料塗鋪(Spin polymer)、高分子材料回蝕(Etch back)、量測系統架設、波導特性之量測。概略說明之，我們在矽晶片(Silicon substrate)上利用 PECVD 成長一層根據我們所要求的厚度之二氧化矽(SiO2)，金屬蒸鍍是為了成長一層乾蝕刻保護材料，且利用光微影術及濕蝕刻的製程技術，定義出凹槽(Trench)的寬度，之後使用乾蝕刻技術蝕刻出所設計的深度，而到這個步驟我們定義 core 寬度及深度的製程就已經完成了，接著塗鋪導光高分子材料苯環丁烯(Benzocyclobutene, BCB)，並且作固化(Curing)處理，此種高分子材料的特性良好，通常此高分子材料被應用廣泛，有在構裝上的 Multi-Chip Packaging、主動陣列 LCD、VCSEL、以及光學波導方. 13.

(14) 面。對於我們埋藏式波導最大的優點為 BCB 有極佳的回流(Reflow) 現象，其平坦度也高達 90%以上，因此需在填入槽溝後，利用回蝕技術將多餘的高分子材料去除，在我們的製程上，只須用化學反應，而不需利用研磨方式，原因是 PECVD 所成長的 SiO2 會呈現一碗公型的形狀，不適合使用研磨的方式。最後完成回蝕的步驟時，我們使用另一種高分子材料 (Spin on Glass, SOG)來當保護層及上批覆層(Top cladding)，這層材料可以增加波導對環境的抵抗能力，以及達成平坦化(Planarization)的目的。在本論文第二章中，將說明埋藏式波導之基本結構，並針對此結構以 BPM-CAD[15]進行模態分析，同時我們將具有 micro-prism 結構之偏折波導作分析及探討，並且說明其優缺點。最後將 micro-prism 偏折結構與 1×2 Y-branch 分光器結構作組合，再討論模擬之結果。第三章將會介紹波導元件的製作流程，內容包括波導元件製程步驟之說明及元件之製程結果，同時分析製程過程中重要的步驟。第四章則介紹波導元件之量測結果。內容包含通道式波導之傳輸損耗(Propagation loss)、以及 1×2 Y-branch 分光器元件輸出效率 (Power efficiency)之量測，並對其結果作分析與討論。第五章將為本文作個總結，我們會對本研究成果作完整的回顧，並且討論未來改進之方向及方法。. 14.

(15) 第二章. 理論模擬與應用. 本章節將針對實驗上所做波導之結構進行模擬，並對結果加以探討。元件材料選擇上，以矽基板(Silicon substrate)上所成長的二氧化矽(SiO2)為我們的披覆層(Bottom Cladding)，導光材料為複合高分子材料(BCB polymer)，最後則以高分子材料 SOG 為保護層及上披覆層 (Top cladding) 。第一節將介紹波導之基本組成結構，以及利用 BPM-CAD 此套軟體的相關函數法(Correlation Function Method)做計算並找出結構之基模(Fundamental mode)光場；第二節則應用此結構於 micro-prism 偏折波導上，並對其模擬結果進行討論及分析；在第三節將討論 micro-prism 偏折波導結構應用於 1×2 Y-branch 分光器結構上的成果，首先簡單描述所使用的元件組成結構，並利用光傳播法 (Beam Propagation Method, BPM)計算光場分佈圖，最後將研究及討論所模擬之輸出結果。. 2-1. 埋藏式高分子波導之結構分析由於本實驗是使用埋藏式之波導結構，其詳細側邊剖面結構如圖 2-1-1.所示，使用之基板為矽基板(Silicon)，並且將基板上之 SiO2 當成底部的披覆層(Bottom cladding)，我們的導光層材料為高分子材料 (BCB polymer)，在基板上方所覆蓋的高分子材料為 SOG，此部分稱 15.

(16) 為上邊披覆層(Top cladding)。其中各層材料之折射率和厚度，分別如表 2-1-1.。 SOG. BCB. a. a SiO2 Si substrate 圖 2-1-1. 埋藏式波導側邊結構圖. 表 2-1-1. 各層材料之折射率及厚度 Index Layer Top cladding SOG Core BCB Bottom cladding SiO2. (λ=1.3μm). Thickness (μm). 1.43. 0.5. 1.59. 5. 1.4577. >10. 在波導結構截面各層厚度大小的選擇上，我們模擬了光纖與波導之間的耦合效率(Coupling efficiency)，來說明我們選用波導 core 大小的想法。圖 2-1-2.為耦合效率之模擬結果，圖上所顯示的資訊，雖然. 16.

(17) 表示在 12μm×12μm 時，會有最好的耦合效率，但是我們知道導光區域的寬度及深度如果越大時，傳輸的模態會越多，所以為了使波導的模態數越少，因此我們決定了導光 core 的大小為 5μm×5μm，但是圖上所顯示的資訊，效率並非很好，而要如何解決耦合效率差的問題？有兩種方法，首先可以嘗試將光纖與波導之耦合端做改變；將光纖耦合端以燒拉的方式，改變光纖導光層(Core)大小，達到與波導導光層耦合效率最高，這種技術在市面上已發展非常成熟；另一個方式是提高批覆層 SiO2 的折射率，可於 SiO2 中摻雜Ⅲ族或Ⅴ族的材料，例如：Germanium(Ge)或 Phosphorus(P)雜質來提高折射率。經由上述兩式方法的改善後，可以預期出應該會有較佳之耦合效率。. 17.

(18) 100 90. Coupling Efficiency(%). 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. a (µm). 圖 2-1-2. 光纖與波導之耦合效率圖. 爾後，我們會將此結構及所決定的各層厚度代入 BPM-CAD 中模擬，即可找出光場的基模(Fundamental mode)，如圖 2-1-3.所示。由材料上的折射率來計算，相差有 8.62% 之多，計算場型束縛因子 Γ(Confinement factor)為 99.52%，所以 Index guiding 很強，而半高寬 (FWHM)為 3.936μm×3.769μm，幾乎接近正圓形的輸出場型。當我們找出光場之有效折射率(neff)及基模後，則此基模光場即為元件的入射光場。首先先針對偏折的結構進行模擬，再將偏折結構應用在 1×2. 18.

(19) Y-branch 分光器元件上，我們依然可得到光場分佈圖，而其結果與詳細部份將於下節介紹。. SOG. SiO2. 圖 2-1-3. 波導之基模光場圖. 19.

(20) 2-2.. Micro-prism 偏折結構之分析與討論. α＜1°. 圖 2-2-1. 直接偏折結構圖. 偏折波導是一種可以改變光行進方向、結構簡單、應用廣泛的元件，而傳統的直接偏折(Direct bending)結構方式，如圖 2-2-1.所示，光會在轉折處產生極大的散射損耗(Radiation loss)，使得在偏折光路徑處，不能夠有太大角度的偏折，一般傳統設計都是小於 1° ，所以如果需要產生大角度偏折，在偏折界面上必需改變其偏折方式。從文獻得知，大部分的製程都是做在脊樑式(Ridge)結構上，而且有些偏折結構設計又很複雜[16]，所以在製程上有極大的困難度，因此如何找到設計簡單，且製程上又可符合埋藏式波導的製作方法？在本論文中提供了 micro-prism[5-7]偏折波導之結構與計算，最後將與傳統式直接偏折波導計算結果互相做比較。此結構設計原理是引用文獻上所發表的計算方法[5, 6]。一般而言，光要改變其行進方向，在轉角處能夠產生偏折，且轉角處會引起相位差(Phase difference)，原因為光行進的路徑不相同，之所以如此，. 20.

(21) 我們考慮加入可以補償相位差的錂鏡(micro-prism)，而使得光的波前 (wavefront)經過我們設計的錂鏡區域，因錂鏡折射率與導光區域折射率不同之故，改變了光的行進速度，光波也因經過錂鏡時的路徑長短不相同，而達到相位補償的功能；換句話說，即使通過偏折處，藉著錂鏡來降低相位差，使得光波前可同時到達同一波前。而且基於埋藏式波導相較於其他波導結構的優勢，我們的設計同樣也適合被應用於埋藏式波導的結構裡。micro-prism 偏折波導結構如圖 2-2-2.所示，我們將會分析其簡單的設計原理。. θ1 θ1. W n2. A. 2L n1. α A’. 圖 2-2-2. Micro-prism bending 波導結構圖. 21. n2.

(22) B’ B. W. C’ n2. α C. n1. 圖 2-2-3. 直接偏折波導結構圖. 在相位差的計算上，首先如圖 2-2-2.所示，假設我們有一相位差為 ∆ϕ ，可知在上下兩側，光程差 A → A’之距離為 2L，所以方程式如下： ∆ϕ = (n2 − n1 ) ⋅ K0 ⋅ 2 ⋅ L. 其中 K 0 is free space of wavenumber. 我們再以如圖 2-2-3.之傳統偏折波導做計算之輔助，另外假設光所走的路徑差(Path difference)為 ∆d ，由圖上可看出第一個路徑為 B → B’、第二個路徑為 C → C’，由路徑與光程差的關係可推得方程式如下： ∆φ = β ⋅ ∆d = β ⋅ 2 ⋅ W ⋅ tan(α / 2). 其中β為傳播模態之傳播常數， β = K 0 neff. neff 為傳播模態之有效折射率 22.

(23) 綜合上面所推得的兩式，可得到如下列之恆等式：. ∆ϕ = ∆φ ⇒ β ⋅ ∆d = K 0 ⋅ neff ⋅ 2 ⋅ W ⋅ tan(α / 2) = ( n2 − n1 ) ⋅ K 0 ⋅ 2 ⋅ L ⇒ neff ⋅ W ⋅ tan(α / 2) = ( n2 − n1 ) ⋅ L 由上式所得，在公式中已知 neff 、W、α、n1 及 n2，所以可使用 MATLAB 軟體代入已知的值，計算 L 的大小。當我們計算出 L 的值時，必須利用 BPM-CAD 繪製如圖 2-2-4.的圖形，我們固定了斜邊的長度，可得到因角度而改變的輸出效率，所以模擬了在偏折長度固定為 1000μm 且偏折角度由 2° ~ 9° 時的輸出效率；於在傳統偏折導上，也模擬了未加入 micro-prism 的 S bending 波導結構，如圖 2-2-5. 所示之圖形，並且將兩者輸出效率做比較。. 1000μm. α = 2°~9° micro-prism. 3000μm. 圖 2-2-4. Micro-prism bending 固定偏折長度之結構圖. 23.

(24) 1000µm α = 2°~9° 3000μm. 圖 2-2-5. S bending 固定偏折長度之結構圖. 輸出效率比較圖如圖 2-2-6.所示，可明顯看出我們所設計加入了 micro-prism 的偏折結構保持了絕佳的效率。在 S bending 波導中，猶如一般的傳統偏折波導，在角度大於 2° 時，光會在波導內衰減的極為快速，表示因相位差所造成的散射損耗相當嚴重，因此我們所加入的 micro-prism 產生了補償的作用，讓光在波導中的傳輸可以降低散射損耗，使得元件在輸出更有效率，在這裡，已經成功的研究並模擬出效率佳的偏折波導結構，再來要如何將它應用於 1×2 Y-branch 分光器上，詳細說明如下節。. 24.

(25) 0 Micro-prism bending S bending. -5. Output efficiency (dB). -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Bending angle (degrees). 圖 2-2-6. Micro-prism bending 與 S bending 之輸出效率比較圖. 25.

(26) 2-3. 應用偏折於 1×2 Y-branch 分光器之分析光通訊系統上的被動元件，一直是大家極力研究之方向，尤其是用戶間的連接點，由於邁入全民化 e 世代，上網的人數日益增加，用戶端的節點必然也相對增加，如果想要解決用戶端節點上的問題，必須要有一個好用、功能強大、便宜的分光器，而且此種元件必須滿足體積小、低損耗、低反射，以及低成本的特性。Y-branch 分光器(power splitter)就符合上述之特性，但是傳統的分光器受限於分光角度與元件大小的問題，所以我們製作了我們所設計的新型 Y-branch 分光器，將說明之。. θ＜1°. 250µm. 圖 2-3-1. 傳統式 Y-branch 分光器. micro-prism α θ<1°. 圖 2-3-2. 含有 micro-prism 之 1×2 Y-branch power splitter 26. 250µm.

(27) Y-branch 分光器是最基本的一種分光元件，它能隨著自己的設計有效地達到多個分光效果，例如：1×N Y-branch 分光器，即使是多個分光，也能夠使分光後的每個輸出功率都很均勻。但是為了降低元件的散射損耗(Radiation Loss)，傳統式的分光器其分光角度都不大。如圖 2-3-1.所示，θ< 1° ，所以當我們最後要達到模組化，與光纖對準耦合時，輸出的地方就必須符合一般標準的距離，其大小為 250μ m，因這個距離限制，最後整個元件會有很大的橫向距離，使得元件的面積變得非常的大，這樣並不符合積體化的要求；而且一般的製程都是使用脊樑式波導，則製程上就會有一定的困難度(Processibility)，在光微影術(Photolithography)時，分光結構的尖角部份也不能夠做的很尖銳(Sharp)，而會造成極大的散射損耗；且如圖 2-3-2.所示，雖然我們所設計的角度依然也是須小於 1° ，不過將元件組成結構有輸入的 Channel waveguide，以及分光部份(Beam Expanding)改為由 Tapered 式波導，它的功用可將光的場型隨 Tapered 設計角度而增加模態數目，再經由後面所連接 S bending 式波導來分光(Splitting)，而分光一段距離後，加入我們所設計之 micro-prism bending 波導。由於此種結構之偏折波導可做大角度偏折，所以即使分光角度小，但後級改變了它的偏折角度，依然可大幅降低我們整個元件的大小，並且由前節可知，加入錂鏡的偏折波導輸出效率很好，所以應該可以預測此方式設. 27.

(28) 計的元件，其輸出結果應該也是絕佳；再者，我們所使用埋藏式波導的製程方式，利用惻蝕(Undercut)的現象，它可以解決尖角的問題，因為側蝕現象削尖了元件在分光的部份，因此埋藏式的結構非常適合應用在分光器元件上。. θ=1°. 250µm. 0.3mm 0.2mm 15mm 圖 2-3-3. 傳統式 1×2 Y-branch 分光器之尺寸大小. micro-prism α = 3°~9° θ=1°. 0.3mm 0.2mm. 250µm. 0.35mm 3mm. 圖 2-3-4. 含有 micro-prism 之 1×2 Y-branch power splitter 的尺寸大小. 我們利用 BPM-CAD 來模擬我們所設計的 1×2 Y-branch 分光器，圖 2-3-3.為傳統分光器的上視圖及尺寸大小，其元件長度約有. 28.

(29) 15mm 之多；但加入 micro-prism 結構(如圖 2-3-4.所示)協助分光後，其長度大小僅只有 3mm，兩者相差於是否有加 micro-prism 結構，在 micro-prim bending 中的的模擬角度由 3° 至 9° ，同樣在結構上，將輸出距離固定為標準輸出間距 250μm。並與未加 micro-prism bending 的傳統分光器做比較，圖 2-3-5.所示即為所模擬的輸出效率比較結果，由結果可看出，將元件縮短長度將可減少元件之傳輸損耗 (Propagation Loss)亦可同時提高效率，而且在 3° 與 9° 時，所相差的效率也不是很多，減少面積即可增加良率，這是積體化(Integration) 勢必要走的趨勢。. -3.0 -3.2. Power Efficiency (dB). -3.4 -3.6 -3.8 -4.0 -4.2. Without micro-prism bending. -4.4 -4.6 -4.8 -5.0. -1. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Bending angle (degrees). 圖 2-3-5. 傳統式分光器與含有 micro-prism 分光器之輸出效率比較圖 29.

(30) 我們可將元件結構分為兩級，在加上 micro-prism bending 前為前級，micro-prism bending 為後級；而圖 2-3-6.的場型圖即為前級未加上 micro-prism bending 前之輸出場型，計算其輸出效率高達 98.29%，且為對稱之輸出，即均勻度 (Uniformity) 為 0dB ，以及插入損耗 (Insertion loss)為-3.09dB；如圖 2-3-7.的場型圖為前級加上了後級 micro-prism bending 為 9° 時的輸出場型圖，其插入損耗為-3.63dB，這樣的效率是非常的好，並且經由計算可得，每個 micro-prism 的損耗為 0.27dB。因此若定義好製程技術後，此元件之可行度極高。關於本元件的製程程序，將於下個章節討論及說明。. 圖 2-3-6. 1×2 Y-branch power splitter 前級輸出場型圖 30.

(31) 圖 2-3-7. 1×2 Y-branch power splitter 與後級偏折 9° 輸出場型圖. 31.

(32) 第三章. 波導製作. 在本章節中，我們將介紹埋藏式高分子波導(Buried polymer BCB waveguide)的製作流程，同樣之製程方式也可用於我們設計的元件上，本研究中，所使用的晶片為利用 PECVD 在矽基板(Silicon substrate) 上成長約 10μm 厚之二氧化矽(SiO2)。. 3-1. 埋藏式高分子 BCB 波導之製程流程埋藏式高分子 BCB 波導的整個製程流程包含了以下的步驟：. 步驟(一) ： SiO2/Si 晶片之清潔 1. 將晶片置於丙酮(ACE)溶液中，以超音波振盪器(Sonic)強度為 9、時間為 20 分鐘。 2. 將晶片置於異丙醇(IPA)溶液中，以超音波震盪器強度為 9、時間為 20 分鐘。 3. 將晶片置於去離子水(D.I. Water)溶液中，以超音波震盪器強度為 9、時間為 20 分鐘。 4. 再利用去離子水沖洗 1 分半鐘，以氮氣(N2)將晶片表面吹乾，並置於烤箱(Oven)中，以 120℃烤 1 小時。. 步驟(二) ：成長保護層材料鉻(Cr). 32.

(33) 1. 以熱蒸鍍(Thermal deposition)的方式來蒸鍍保護層之鉻(Cr)，厚度大約 3000Å ~ 4000Å。 2. 蒸鍍速率須維持在 0.4 ~ 0.5Å/sec 左右。. 步驟(三) ：光微影術(Lithography) 1. 以光阻塗鋪機(Spin coater)塗鋪 AZ 4620 光阻，轉速為 6000 rpm、時間為 40 秒，利用 Hot plate 軟烤 100℃，時間約 90 秒。 2. 以 I-line 曝光 40 秒，再以 AZ 400K 顯影液顯影約 30~35 秒，最後置於 Hot plate 硬烤 120℃，時間約 120 秒，增加光阻對晶片表面之附著力，以便當成保護材料。. 步驟(四) ：濕蝕刻金屬鉻 1. 這裡所利用的濕蝕刻配方為鉻酸(Cr7)，蝕刻條件為室溫，蝕刻之速率大約為 30 ~ 35Å/sec。 2. 在我們完成蝕刻的程序後，必須將當保護層的光阻清除。. 步驟(五) ：乾蝕刻槽溝(Etching trench) 1. 利用活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch, RIE)與電子環繞共振式 (Electron Cyclotron Resonance, ECR)蝕刻出寬度及深度各為 5 μm 的槽溝。 2. 其蝕刻條件： 33.

(34) 蝕刻功率： ECR＝200w. RIE＝100w. 操作氣壓： 8~10 mtorr 蝕刻氣體： SF6＝15 s.c.c.m. SiO2 的蝕刻速率＝0.047μm/min Cr 的蝕刻速率＝11Å/min. 步驟(六) ：將表面上剩餘的 Cr，以 Cr7 蝕刻乾淨。. 步驟(七) ：塗鋪高分子材料 BCB，形成導光層 1. 利用塗鋪機分為兩段轉速塗鋪高分子材料，條件如下： a. 轉速 500 rpm，時間為 60sec. b. 轉速 5000 rpm，時間為 40sec. 2. 放入烤箱中，以 70℃烘烤 20 分鐘。 3. 最後階段的固化(Curing)過程，則需在 5 × 10-5 torr 氣壓以下進行，以圖 3-1-1.的條件來加熱之。 4. 在固化完 BCB 時，我們為了達到平坦的作用，所以又塗鋪了一層光阻 AZ 4620，使得表面高度差為最小。. 34.

(35) 260 240 220 200. Temperature(℃). 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Curing time(min). 圖 3-1-1. BCB polymer 加熱固化圖. 步驟(八) ：乾蝕刻光阻及高分子材料蝕刻槽溝外的光阻及高分子材料，其蝕刻條件如下：蝕刻功率： ECR＝200w RIE＝100W 操作氣壓： 8~10 mtorr 蝕刻氣體： SF6＝6 s.c.c.m. O2＝4 s.c.c.m. 高分子材料蝕刻速率＝1967Å/min. 步驟(九) ：塗鋪 SOG. 35. 110.

(36) 1. 最後利用塗鋪機，塗鋪上保護層 SOG，轉速為 5000 rpm，時間為 40sec. 2. 當我們完成塗鋪的步驟，依然要依條件加熱固化，條件如下圖 3-1-2.。 3. 即完成波導製作以上之九個步驟，即為我們製作埋藏式高分子波導之詳細方法。. 200 180. Temperature(℃). 160 140 120 100 80 60 40 20 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. Curing time(min). 圖 3-1-2. SOG 加熱固化圖. 36. 90. 100.

(37) 以下為埋藏式波導之製作流程圖： (1) 蒸鍍保護層鉻(Cr) Cr SiO2 Si substrate. (2) 光微影術 Pattern SiO2 Si substrate. (3) 濕蝕刻鉻(Cr) Wet etching SiO2 Si substrate. (4) 清除光阻 A.Z. 4210 Clean P.R. SiO2 Si substrate 37.

(38) (5) 乾蝕刻二氧化矽(SiO2) Dry etching SiO2 Si substrate. (6) 濕蝕刻清除鉻(Cr) Wet etching SiO2 Si substrate. (7) 塗鋪 Polymer BCB BCB SiO2 Si substrate. (8) 塗鋪光阻 A.Z. 4620 P.R. 4620 SiO2 Si substrate. 38.

(39) (9) 平坦化製程：蝕刻 BCB Etching back SiO2 Si substrate. (10) 塗鋪保護材料 SOG SOG SiO2 Si substrate. (11) 元件完成之側邊剖面圖 SOG 0.5µm. BCB. 5µm. 5µm SiO2 Si substrate. 圖 3-1-3. 埋藏式高分子波導之流程圖. 39.

(40) 3-2. 製程結果與討論我們已經成功的利用半導體技術製作出光電被動元件－埋藏式 1×2 Y-branch power splitter 元件，首先我們得先對簡單的波導結構著手，於是乎我們延續學長的成果，繼續加以改進，在元件製作上，重複了之前學長所做出的通道式波導(Channel waveguide)[17-19]。如圖 3-2-1.所示，其為寬及深均約為 5μm 的槽溝，在蝕刻氣體上，只使用一種氣體為 SF6 ，因為之前在蝕刻槽溝時，加了另一種氣體為 CHF3，造成底部嚴重的不平坦，所以變成只用一種氣體來蝕刻，結果發現不平的現象改善了，但是我們知道加入 CHF3 可產生防側蝕的功能，可使側邊(Sidewall)較平坦也較垂直，而未加 CHF3 氣體所蝕刻的側邊感覺較粗糙了一些，且側邊也較不垂直。如圖 3-2-2.所示，此為鋪完 SOG 後，經由 SEM 所拍攝之波導側邊截面圖，圖上可以明顯的區分出各層材料，但是斷裂面並非很平坦，這樣的截面會影響量測時的輸出效率，即耦合損耗會較大。我們目前所使用的 SOG 有龜裂的問題，所以在製作方法上，做了一個修正，改變了 SOG 的製程定義及條件，之後卻發現明顯改善了裂痕的問題，如圖 3-2-2.所示。我們降低了上層保護層 SOG 的厚度，還有我們同時也降低了加熱固化的溫度，改進了 SOG 容易龜裂的問題，並且也完成較低損耗之波導元件。. 40.

(41) Trench. SiO2. 圖 3-2-1. 埋藏式 BCB 波導之槽溝側邊圖. SOG. BCB SiO2. SiO2 圖 3-2-2. 埋藏式 BCB 波導之側邊剖面圖 41.

(42) 在圖 3-2-3.與圖 3-2-4.為所完成的 1×2 Y-branch power splitter 元件上視圖。圖 3-2-3. 為 Y-branch 之結構形狀，圖 3-2-4. 則為加入 micro-prism 的分光器上視圖。在尖角及 micro-prism 斜邊製程上的改善，第一個方式，可以嘗試於光微影技術上做調整；第二個方式則可以改變目前所使用的光阻，由 A.Z.4000 系列換成 A.Z.7500 系列，解析度(Resolution)將由目前的 0.8μm 提升為 0.5μm，厚度也會降低至 1μm 左右，這等級的光阻，更適合於目前實驗室所使用之光微影機波段(I-line)，所以可望得以實際之改善。. Y-branch. 圖 3-2-3. Y-branch 結構之上視圖. 42.

(43) Micro-prism bending. 圖 3-2-4. 1×2 Y-branch 分光器與 micro-prism 3° bending 上視圖. 43.

(44) 第四章. 波導量測結果與分析. 當波導製作完成後，我們將會進行波導的傳輸損耗(Propagation loss)或傳輸效率(Power efficiency)之量測與分析，在本章的第一節中將介紹量測方法及架構，第二節為量測結果。. 4-1. 波導的量測首先介紹所架設的量測系統，如下圖 4-1-1.所示，在光源部份，有兩種，一個是利用 He-Ne 雷射 632.8nm 之可見光，可進行光與波導之對準，當我們微調光耦合進入波導時，再將光源改為 1310nm，即可進行量測。. Glan-Thompson. polarizer. Pine hole. 1310nm LD. Detector. Waveguide Coupler Lens. 632.8nm He-Ne Laser. Lens. Lens HP4155. Lens. Semiconductor Parameter Analyzer. 圖 4-1-1. 波導量測系統圖 44.

(45) 在我們開始在製作 Y-branch 結構波導之前，先嘗試了通道式的波導(Channel waveguide)的製作，當然在完成後對此種元件也做了量測，我們是採用 cut-back 的方式進行量測。波導傳輸損耗之計算方法如下式： P Loss (dB) = 10 ⋅ log10  o  Pi.   . 其中 Pi 為輸入功率；Po 為輸出功率. 在我們量測 1×2 Y-branch 分光器元件時，其量測方式較不同於 Channel 波導，我們必須先量測在同一片晶片上 Channel waveguide 結構，在分別量出分光器的個別輸出，最主要的目的要將量測結果做規一化(Normalization)，其量測示意圖如下圖。. Channel waveguide Pi. P01 1×2 Y-branch power splitter P02 α =3°,5 ,7 ,9°. Pi P02. 圖 4-1-2. 元件量測示意圖. 45.

(46) 量測結果之計算方式如下 1×2 Y-branch power splitter 的傳輸效率： 10 ⋅ log( 均勻度(Uniformity)為： Max(in. dB ). P02 ) P01. ( P02 − P02 ' ). 4-2. 量測結果下圖為 Channel waveguide 的量測結果：. -4.1. Output efficiency(dB). -4.2. -4.3. -4.4. -4.5. -4.6. -4.7 1.0. 1.2. 1.4. 1.6. 1.8. 2.0. 2.2. Waveguide length(cm). 圖 4-2-1. Channel waveguide 的量測結果. 在上圖所示的虛線為趨近量測結果之線性曲線，我們可從趨近曲線之斜率中，預估出此波導的耦合損耗(Coupling loss)為 3.67dB，以及傳輸損耗(Propagation loss)為 0.47dB/cm。 46.

(47) -3.2 Simulaiotn Simulation Experiment Experiment. -3.4. Output efficiency (dB). -3.6 -3.8 -4.0 -4.2 -4.4 -4.6 -4.8 -5.0. -1. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Bending angle (degrees). 圖 4-2-2. 1×2 Y-branch power splitters 之輸出比較圖. 在所得的量測結果中，所量到元件的均勻度(Uniformity)大約為 0.04dB，由於我們所製作的波導有傳輸損耗(Propagation loss)，大約為 0.5 dB/cm，所以在未加上 micro-prism bending 的分光器上，總長度約為 18 mm，得到的效率就會稍微差一點，若我們可以改進傳輸損耗，可以更加接近理論值；而加入 micro-prism bends 的分光器，其輸出效率會較高，原因為元件總長度僅有 8mm，在偏折 3° 時，已經接近市售標準了，然而偏折角度越大時，效率會不好的原因，是在 micro -prism bending 的斜邊有波浪狀，製作上還不夠直，造成損耗較大，. 47.

(48) 如同第三章節所述的改善方式加以改進，效率上的提升是可以預期的。並將輸出結果整理如下表 4-2-1.。. 表 4-2-1. 1×2 Y-branch 分光器之模擬值與實驗值比較 Bending angle. Simulation. Experiment. (degrees). (dB). (dB). Without micro-prism. -4.1129. -4.9. 3. -3.3174. -3.7. 5. -3.2932. -4. 7. -3.4188. -4.5. 9. -3.6316. -4.9. 48.

(49) 第五章. 結果與討論. 本論文研究了如何應用埋藏式 BCB 波導於 1×2 Y-branch 分光器結構，其中包含了理論計算與實際製作。在理論部分，證明 micro-prism bending 確實有好的輸出效率，所以應用在分光器結構上很適合，況且我們所製作的波導結構為埋藏式結構，製程困難度相對於其他波導結構降低許多，所以實作上容易達成。在實作部份，我們不僅成功改善了 SOG 龜裂的問題，也製作出較低損耗的 Channel waveguide，量得的傳播損耗為 0.47dB/cm，而耦合損耗較大的原因為導光 core 較小，且利用徒手切割其斷裂面不是很好，最好的解決方式須將裂面加以研磨；以相同埋藏式波導製作方式，製作 1×2 Y-branch power splitter 元件，看到 3° 的輸出效率，可知我們埋藏式結構確實有發揮其優點，在分光的部分，果真如我們所推測的結果，利用側蝕現象，削尖了尖端部份，但角度越大效率愈差的原因在 micro-prism bending 的 prism 斜邊部分，角度越大斜邊形同波浪狀的現象越明顯，所以損耗越高。在斜邊波浪狀的改進，可以調整製程條件或是將光阻改變成靈敏度(Sensitivity)較高的類型，這樣必會提升元件最後的輸出效率。. 49.

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