DE4434376A1

DE4434376A1 - Method of making an integrated optical waveguide

Info

Publication number: DE4434376A1
Application number: DE19944434376
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 1996-03-21
Also published as: WO1996008739A3; WO1996008739A2

Abstract

A process is disclosed for producing an integrated optical waveguide. Trenches are etched through an area of a silicon substrate, a trench-free area is provided with a buffering layer and a waveguide layer made of light guiding polymer is applied on the buffering layer. In order to create a monomode integrated optical waveguide with relatively small light losses, the buffering layer (6) also covers the trench area (2, 2a) of the silicon substrate (1). In addition, the light guiding polymer is applied in such a way that it forms a smooth surface at its free top surface (10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters, bei dem in einem Silizium-Substrat durch Ätzen ein grabendurchzogener Bereich gebildet wird, der auf grabenfreien Flächen der den grabendurchzogenen Bereich aufweisenden Seite des Silizium- Substrates eine puffernde Schicht aufweist, und anschließend auf dieselbe Seite des Silizium-Substrates eine Wellenleiterschicht aus einem lichtführenden Polymer aufgebracht wird.The invention relates to a method for manufacturing an integrated optical waveguide, in which in one Silicon substrate by etching a trenched area is formed on the trench-free areas of the side of the silicon Substrate has a buffering layer, and then on the same side of the silicon substrate Waveguide layer made of a light-guiding polymer is applied.

Ein bekannt es Verfahren dieser Art ist in der Zeitschrift "Applied Optics", 20. Januar 1993, Vol. 32, Nr. 3, Seiten 318 bis 321 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren werden in ein mit einer Schicht aus SiO₂ bedecktes Silizium-Substrat unter Bildung eines grabendurchzogenen Bereiches zur Gewinnung eines integrierten optischen Wellenleiters zwei parallel verlaufende und im Querschnitt V-förmige Gräben geätzt, wobei die grabenfreien Flächen neben und zwischen beiden benachbarten Gräben mit der Schicht aus SiO₂ bedeckt bleiben. Die Schicht aus SiO₂ dient dabei als Ätzmaske. An schließend wird auf das soweit bearbeitete Silizium-Substrat eine Wellenleiterschicht aus einem lichtführenden Polymer durch Schleudern aufgebracht, wobei dafür gesorgt wird, daß die Wellenleiterschicht etwa überall die gleiche Stärke auf weist; die Wellenleiterschicht erhält dadurch eine Oberflächenstruktur, die ähnlich der des mit den Gräben versehenen Silizium-Substrats ist. Dadurch ist der wellenleitende Bereich bei dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten, integrierten optischen Wellenleiter im Bereich zwischen zwei benachbarten Gräben gebildet. Die Schicht aus SiO₂ zwischen zwei benachbarten Gräben wird dabei als puffernde Schicht benutzt. Der wellenleitende Bereich ist mindestens einige 10 µm breit, wodurch bei den gegebenen Brechzahlsprüngen zwischen den unterschiedlichen Materialsystemen automatisch mehrmodige Wellenleiter entstehen. Außerdem sind bei dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellenleiter die wellenleitenden Bereiche verhältnismäßig stark verlustbe haftet, weil im Bereich der einzelnen Gräben beträchtliche Verluste entstehen. Ferner sind bei dem bekannten integrier ten optischen Wellenleiter die Verluste noch dadurch erhöht, daß der wellenleitende Bereich aus einem verhältnismäßig dünnen Film aus dem lichtleitenden Polymer gebildet ist.A known method of this kind is in the magazine "Applied Optics", January 20, 1993, Vol. 32, No. 3, pages 318 to 321. In this known method in a silicon substrate covered with a layer of SiO₂ forming a trench-crowned area for Obtaining an integrated optical waveguide two trenches running parallel and V-shaped in cross section etched, with the trench-free areas next to and between two neighboring trenches covered with the layer of SiO₂ stay. The layer of SiO₂ serves as an etching mask. On concludes on the silicon substrate processed so far a waveguide layer made of a light-guiding polymer applied by centrifugation, taking care that the waveguide layer has the same thickness approximately everywhere points; the waveguide layer thereby receives one Surface structure similar to that of the trenches provided silicon substrate. This is the waveguiding area in the according to the known method manufactured, integrated optical waveguide in the field formed between two adjacent trenches. The layer out SiO₂ between two adjacent trenches is considered buffering layer used. The waveguiding area is at least a few 10 µm wide, so that given the Refractive index jumps between the different ones Material systems automatically multimode waveguides arise. In addition, in the known method manufactured integrated optical waveguide wave-guiding areas relatively large loss is liable because in the area of the individual trenches considerable Losses arise. Furthermore, in the known integrier th optical waveguide increases the losses that the waveguiding area from a relative thin film is formed from the light-conducting polymer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters vor zu schlagen, mit dem sich einmodige Wellenleiter mit vergleichs weise geringen Verlusten herstellen lassen.The invention has for its object a method for Manufacturing an integrated optical waveguide before with which single-mode waveguides with comparative wise small losses.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein gangs angegebenen Art erfindungsgemäß nach dem Ätzen eine Pufferschicht derart auf das Silizium-Substrat aufgebracht, daß sie dessen grabenfreien Flächen und den Grabenbereich bedeckt, und das lichtführende Polymer wird so aufgebracht, daß es an seiner freien Oberfläche eine weitgehend ebene Fläche bildet.To solve this problem, one of the methods initially specified type according to the invention after the etching Buffer layer applied to the silicon substrate in such a way that they have trench-free areas and the trench area covered, and the light-guiding polymer is applied so that it is largely flat on its free surface Surface forms.

Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellenleiter entsteht der wellenlei tende Bereich an der Stelle des jeweils geätzten Grabens, wo durch das Licht unter Bildung vergleichsweise geringer Verluste geführt wird, weil im Bereich des geätzten Grabens eine relativ dicke Schicht des lichtführenden Polymer vor handen ist. Ein weiterer Vorteil des nach dem erfindungsge mäßen Verfahren hergestellten integrierten optischen Wellen leiters besteht darin, daß bei ihm die Pufferschicht jeweils auch im Graben das Silizium-Substrat bedeckt, so daß dort nur sehr geringe Verluste auftreten können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten Wellenleiters besteht darin, daß die wellenleitende Bereiche relativ schmal aus führbar sind, wodurch sich Monomode-Wellenleiter herstellen lassen. Außerdem ist bei der Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens zum Herstellen eines Wellenleiters nur ein Graben im Silizium-Substrat erforderlich.In a manufactured according to the inventive method integrated optical waveguide creates the waveguide area at the location of the etched trench where comparatively less by the light with formation Losses are carried out because of the area of the etched trench a relatively thick layer of the light-guiding polymer is there. Another advantage of according to the fiction Integrated optical waves produced by this method conductor is that with him the buffer layer each also covered the silicon substrate in the trench, so that only there very low losses can occur. Another advantage of the waveguide produced according to the invention in that the waveguiding areas are relatively narrow are feasible, thereby producing single-mode waveguides to let. In addition, when carrying out the a method of manufacturing a waveguide only Digging in the silicon substrate required.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Pufferschicht vor dem Aufbringen der Wellenleiterschicht vorteilhafterweise mit einer grabenparallelen Ausnehmung versehen. Dies führt zu einer vorteilhaften Ausgestaltung des so hergestellten inte grierten optischen Wellenleiters insofern, als eine uner wünschte Überlagerung von Streulicht mit über den wellenlei tenden Bereich übertragenen Datensignalen weitgehend unter bunden wird. Dabei muß die Pufferschicht im Bereich der Aus nehmung nicht vollständig unterbrochen sein; ggf. ist eine entsprechende Dickenreduzierung durchaus ausreichend.In the method according to the invention, the buffer layer before the application of the waveguide layer advantageously provided with a trench parallel recess. this leads to an advantageous embodiment of the inte optical waveguide insofar as an un desired overlapping of stray light over the waveguide transmitted area largely below is bound. The buffer layer must be in the area of the out taking not be completely interrupted; possibly is a appropriate reduction in thickness is quite sufficient.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens wird soviel lichtführendes Polymer aufgebracht, daß die Dicke der Wellenleiterschicht auf den grabenfreien Flächen mindestens der Grabentiefe entspricht. Mit einem derartigen Verfahren lassen sich wellenlängenunab hängig einmodige Wellenleiter mit großem Querschnitt reali sieren.In a further advantageous embodiment of the inventions The process according to the invention becomes so much light-guiding polymer applied that the thickness of the waveguide layer on the trench-free areas correspond at least to the trench depth. With such a method, wavelengths can be determined independently of one another single-mode waveguides with large cross-section reali sieren.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur im Querschnitt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter integrierter optischer Wellenleiter gezeigt.To explain the invention is in the figure in cross section a manufactured by the inventive method integrated optical waveguide shown.

Wie die Figur erkennen läßt, ist in ein Silizium-Substrat 1 in einem ersten Verfahrensschritt ein grabendurchzogener Be reich 2 und ein weiterer grabendurchzogener Bereich 2a durch anisotropes Ätzen gebildet; jeder grabendurchzogene Bereich 2 bzw. 2a enthält jeweils einen Graben 3 und 4, die sich paral lel zueinander und senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Nach dem Einätzen der Gräben 3 und 4 in das Silizium-Substrat 1 ist auf der in der Figur oberen Seite 5 des Silizium- Substrates 1 durchgängig - also auch in den Gräben 3 und 4 eine SiO₂-Schicht 6 beispielsweise durch thermisches Aufwach sen gebildet.As the figure reveals, a grave through plated Be in a silicon substrate 1 in a first process step 2 and another rich grave through plated region 2 is a formed by anisotropic etching; each region 2 and 2 a with trenches contains in each case a trench 3 and 4 which extend parallel to one another and perpendicular to the plane of the drawing. After the trenches 3 and 4 have been etched into the silicon substrate 1 , an SiO 2 layer 6 is formed continuously on the upper side 5 of the silicon substrate 1 in the figure, that is to say also in the trenches 3 and 4, for example by thermal growth.

Nach dem Aufbringen der SiO₂-Schicht 6 wird vorteilhafterwei se durch weiteres Ätzen auf einer grabenfreien Fläche 7 zwischen den Gräben 3 und 4 die SiO₂-Schicht 6 mit einer Aus nehmung 8 versehen, die in dem dargestellten Ausführungsbei spiel als eine vollständige grabenparallele Unterbrechung der Schicht 6 ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann aber auch eine Ausnehmung ohne vollständige Unterbrechung der Schicht 6 ausreichend sein.After the application of the SiO₂ layer 6 is advantageously by further etching on a trench-free surface 7 between the trenches 3 and 4, the SiO₂ layer 6 is provided with a recess 8 , which in the exemplary embodiment shown as a complete trench-parallel interruption of the layer 6 is formed. If necessary, a recess without completely interrupting the layer 6 may also be sufficient.

Auf das soweit vorbereitete Silizium-Substrat 1 wird an schließend durch Schleudern eine Wellenleiterschicht 9 aus einem lichtführenden Polymer aufgeschleudert, und zwar in der Weise, daß auf der von dem Silizium-Substrat 1 abgewandten Seite der SiO₂-Schicht 6 eine ebene Fläche 10 gebildet wird. Die Wellenleiterschicht 9 weist demzufolge eine unter schiedliche Dicke auf, ist also im Bereich der Gräben 3 und 4 jeweils dicker als auf den grabenfreien Flächen 7. Diese Dickenvariation führt zu einer Variation der effektiven Brechzahl in der Wellenleiterschicht 9, wodurch wellenleiten de Bereiche 11 und 12 gebildet sind, die in der Figur strichliert markiert sind. Diese Bereiche 11 und 12 bilden jeweils einen einmodigen Wellenleiter.On the silicon substrate 1 prepared so far, a waveguide layer 9 is spun on from a light-guiding polymer by spinning, in such a way that a flat surface 10 is formed on the side of the SiO₂ layer 6 facing away from the silicon substrate 1 . The waveguide layer 9 consequently has a different thickness, that is to say in the region of the trenches 3 and 4 each is thicker than on the trench-free surfaces 7 . This variation in thickness leads to a variation in the effective refractive index in the waveguide layer 9 , as a result of which waveguiding regions 11 and 12 are formed, which are marked with dashed lines in the figure. These areas 11 and 12 each form a single-mode waveguide.

Wird eine Pufferschicht 6 von 1-2,5 µm Stärke und eine Wellenleiterschicht 9 auf den grabenfreien Flächen 7 mit einer Stärke von 3-5 µm gebildet, dann hat der wellenlei tende Bereich 11 bzw. 12 des Wellenleiters einen Durchmesser von 8-10 µm.If a buffer layer 6 of 1-2.5 microns thick and a waveguide layer 9 is formed on the trench-free surfaces 7 with a thickness of 3-5 microns, then the waveguide area 11 and 12 of the waveguide has a diameter of 8-10 microns .

Claims

1. A method of manufacturing an integrated optical waveguide in which

a trench-through region is formed in a silicon substrate by etching and has a buffering layer on trench-free surfaces of the side of the silicon substrate that has the trench-through region, and
a waveguide layer made of a light-guiding polymer is then applied to the same side of the silicon substrate,

characterized in that

- after etching, a buffer layer (6) in such a manner is applied to the silicon substrate (1) in that it its grave free surfaces and the grave region (2, 2 a) is covered, and
- The light-guiding polymer is applied so that it forms a largely flat surface on its free surface ( 10 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that

- The buffer layer ( 6 ) is provided with a trench parallel recess ( 8 ) before the application of the waveguide layer ( 9 ).

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that

- So much light-conducting polymer is applied that the thickness of the waveguide layer ( 9 ) on the trench-free surfaces ( 7 ) corresponds at least to the trench depth.