密集陣列波導(dǎo)光柵的偏振相關(guān)波長優(yōu)化分析

吳瑤，鄭煜，何浩，劉志杰，段吉安

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410083)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到飛速發(fā)展，光纖通信技術(shù)在信息技術(shù)領(lǐng)域的地位越來越重要，其應(yīng)用逐步擴(kuò)展到工業(yè)、軍事及電力等領(lǐng)域[1]。在光纖通信技術(shù)中，波分復(fù)用系統(tǒng)(WDM)因其具有傳播容量大、擴(kuò)容方便、傳播信號(hào)透明及成本低等特點(diǎn)，在光纖通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2?3]。WDM中的密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)在應(yīng)用方面不僅增加了系統(tǒng)帶寬，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的通信業(yè)務(wù)需求，而且還大大提高了通信系統(tǒng)的性能，因而成為了光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和首選技術(shù)[4]。其中，AWG 器件因具有損耗低、串?dāng)_小、均勻性好、集成度高等優(yōu)越性能而成為DWDM核心器件——波分復(fù)用/解復(fù)用器[5?6]。此外，AWG還可以應(yīng)用于調(diào)諧濾波器、波導(dǎo)光柵路由器和光分差復(fù)用器等[7]，在光纖通信領(lǐng)域的發(fā)展中具有非常重要的地位。

AWG 的偏振相關(guān)波長(PDW，用符號(hào)WPD表示)是衡量其光學(xué)性能的主要參數(shù)之一，WPD的優(yōu)化對(duì)AWG 的性能有著重要的影響。WPD優(yōu)化方法主要有應(yīng)力釋放槽法[8?9]、半波片法[10?11]、調(diào)節(jié)包層熱膨脹系數(shù)法[12]及其他方法[13?14]等。其中，調(diào)節(jié)包層熱膨脹系數(shù)法制備工藝簡單，且不會(huì)降低器件的其他性能，適用于各種二氧化硅器件，是目前偏振補(bǔ)償較實(shí)用的方法[15?17]。以往人們對(duì)波導(dǎo)熱應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)所建立的模型較單一，并未與AWG器件真正結(jié)合，導(dǎo)致能優(yōu)化單根波導(dǎo)WPD的方法并不能使整個(gè)AWG 器件的WPD減小，且并未給出優(yōu)化WPD后AWG器件的具體制備工藝。

WPD主要因波導(dǎo)正交方向的熱應(yīng)力不同而引起，而襯底和包層的熱膨脹系數(shù)不匹配是導(dǎo)致波導(dǎo)在正交方向產(chǎn)生熱應(yīng)力差的主要原因。本文采用石英基二氧化硅的工藝方法制備AWG器件，相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基二氧化硅AWG，石英基二氧化硅AWG 的石英襯底和二氧化硅包層熱膨脹系數(shù)相同，可以有效減小AWG 的WPD[18]，但對(duì)于與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)而言，由于波導(dǎo)之間的間距過小，使得連接部位處的波導(dǎo)正交方向的熱應(yīng)力差較大，WPD過大，從而影響整個(gè)AWG 的WPD。為此，本文利用有限元方法對(duì)與平板波導(dǎo)連接處的波導(dǎo)間距在1～5μm 范圍內(nèi)的陣列波導(dǎo)進(jìn)行熱應(yīng)力分析，并據(jù)此提出調(diào)節(jié)相應(yīng)波導(dǎo)包層的熱膨脹系數(shù)的方案來優(yōu)化WPD，旨在將整個(gè)AWG的WPD降至0.05 nm 以內(nèi)，從而降低AWG 的偏振相關(guān)。調(diào)節(jié)包層的熱膨脹系數(shù)主要通過向包層中摻入一定比例的氧化物，研究摻入氧化物的搭配比列，使包層的熱膨脹系數(shù)在保證折射率不變的情況下滿足要求。由于AWG中位于平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)的包層需要摻雜來提高熱膨脹系數(shù)，而其他部位的波導(dǎo)不需要，因此，本文提出一種新工藝流程來實(shí)現(xiàn)AWG不同波導(dǎo)處包層的摻雜，由以上方法制備出低WPD的AWG器件。

1 WPD的理論分析

在制備AWG器件時(shí)，需要在沉積膜層后進(jìn)行高溫退火。由于AWG的襯底、包層及波導(dǎo)的熱膨脹系數(shù)存在差異，波導(dǎo)在正交方向受到大小不等的熱應(yīng)力，由于光彈效應(yīng)引起各方向上折射率不同，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，引起AWG的偏振相關(guān)性。在AWG 的光學(xué)性能指標(biāo)中，通過WPD來反映AWG 偏振相關(guān)性的嚴(yán)重程度，其相關(guān)表達(dá)式如下[19]：

式中，λTE和λTM分別為TE和TM偏振態(tài)下的中心波長；nTE和nTM分別為TE和TM偏振態(tài)下的有效折射率；B為雙折射系數(shù)；ΔL為相鄰陣列波導(dǎo)長度差，m為衍射級(jí)數(shù)，ΔL/m為AWG的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在這里為定值。因此，要消除WPD，需減小雙折射系數(shù)B，而產(chǎn)生B的根本原因是波導(dǎo)受到正交方向的熱應(yīng)力不同，其表達(dá)式為[13]

式中：K=3.43×10?12Pa?1，為波導(dǎo)的光致變色系數(shù)[20]；σx和σy分別為波導(dǎo)在水平方向(x方向)和垂直方向(y方向)受到的應(yīng)力。

圖1所示為薄膜沉積在厚膜上的結(jié)構(gòu)示意圖。在高溫退火后，厚膜受到來自薄膜作用的水平方向(x方向)熱應(yīng)力σ1作用，其表達(dá)式為[21]

圖1 多膜結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-membrane structure model

式中：h1和h2分別為厚膜和薄膜的厚度；D為計(jì)算應(yīng)力點(diǎn)離兩膜交界處的距離；E2為薄膜的彈性模量；α1和α2分別為厚膜和薄膜的熱膨脹系數(shù)；ΔT為材料受到的溫度變化量。薄膜受到的熱應(yīng)力σ2為

從上面分析可以看出薄膜和厚膜熱應(yīng)力的計(jì)算公式存在區(qū)別，因此，在使用熱應(yīng)力計(jì)算公式時(shí)，要先區(qū)別厚膜與薄膜，才能使用與之對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。

2 波導(dǎo)模型的建立

石英基二氧化硅AWG的石英襯底與二氧化硅包層熱膨脹系數(shù)相同，可以有效地減小波導(dǎo)正交方向的熱應(yīng)力差，減小WPD。AWG基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于AWG中與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)間距過小，會(huì)對(duì)波導(dǎo)垂直方向的熱應(yīng)力產(chǎn)生很大影響，而其他部位的波導(dǎo)間距很大，加上包層和襯底的熱膨脹系數(shù)相同，所以，這些區(qū)域波導(dǎo)在正交方向上的熱應(yīng)力基本相同，WPD很小。此外，陣列波導(dǎo)數(shù)量多，其WPD增大會(huì)影響整個(gè)AWG 的WPD，為此，本文主要針對(duì)與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)來建模并進(jìn)行分析。模型的建立基于如下假設(shè)：1)熱膨脹系數(shù)不隨溫度變化而變化；2)將整個(gè)系統(tǒng)的材料視為線彈性材料；3)波導(dǎo)在傳播方向的長度為無限大，其變形量為常數(shù)，這可以將三維模型降為二維模型，提高模擬的工作效率。

圖2 AWG基本結(jié)構(gòu)Fig.2 AWG basic structure

石英襯底在制備中的厚度為525μm，而實(shí)際上，在器件達(dá)到穩(wěn)態(tài)后對(duì)波導(dǎo)有重要影響的厚度非常小，因此，在保證結(jié)果誤差很小的情況下，為提高仿真效率，設(shè)定模型中建立的石英襯底厚度為100μm。此外，模型計(jì)算區(qū)域不能太大，否則網(wǎng)格難以細(xì)分，仿真精度不夠。根據(jù)AWG版圖結(jié)構(gòu)，按照比例建立計(jì)算區(qū)域(長×寬為500 μm×125μm)，陣列波導(dǎo)數(shù)為5 根。溫度變化范圍是從包層退火溫度1100 ℃到室溫22 ℃。模型結(jié)構(gòu)示意圖、各結(jié)構(gòu)材料屬性、模型結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如圖3、表1和表2所示。

表1 模型材料屬性Table 1 Model material properties

表2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Model structure parameters

圖3 二維模型局部示意圖Fig.3 Partial schematic diagram of two-dimensional model

3 波導(dǎo)熱應(yīng)力分析

采用Comsol 軟件對(duì)建立的波導(dǎo)模型進(jìn)行熱應(yīng)力有限元仿真。設(shè)初始溫度為1 100 ℃，襯底、包層及波導(dǎo)在此溫度作用下，溫度降低到室溫22 ℃(高溫退火)后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而此時(shí)，襯底、包層及波導(dǎo)中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

圖4和圖5所示為基于有限元方法得出的波導(dǎo)熱應(yīng)力分析結(jié)果。從圖4可見：由于波導(dǎo)的熱膨脹系數(shù)大于襯底和包層的熱膨脹系數(shù)，所以，高溫退火后，波導(dǎo)的收縮量會(huì)大于襯底和包層的收縮量，襯底和包層會(huì)受到波導(dǎo)的壓應(yīng)力，而波導(dǎo)則會(huì)受到來自襯底和包層抵抗其收縮的作用力即拉應(yīng)力作用。波導(dǎo)水平方向的熱應(yīng)力主要由波導(dǎo)上下界面的包層和襯底引起，左右界面處的包層對(duì)波導(dǎo)水平方向熱應(yīng)力影響較小。但由于波導(dǎo)間的包層寬度和熱膨脹系數(shù)相對(duì)于波導(dǎo)來說都較小，所以，當(dāng)波導(dǎo)收縮時(shí)，會(huì)帶動(dòng)波導(dǎo)間的包層一起收縮，波導(dǎo)對(duì)波導(dǎo)間的包層產(chǎn)生較小的壓應(yīng)力，同樣，波導(dǎo)間包層也對(duì)波導(dǎo)產(chǎn)生較小的壓應(yīng)力。而波導(dǎo)帶動(dòng)波導(dǎo)間包層的收縮會(huì)使它們受到上下界面襯底和包層的拉應(yīng)力作用，波導(dǎo)與波導(dǎo)間包層相互作用的壓應(yīng)力抵消部分拉應(yīng)力，使得波導(dǎo)間包層和波導(dǎo)左右界面的壓應(yīng)力小于波導(dǎo)中心處的壓應(yīng)力。波導(dǎo)上下界面由于離包層和襯底較近，所以，受到的影響相對(duì)于波導(dǎo)中心處來說較大，使其受到的拉應(yīng)力大于中心處拉應(yīng)力。根據(jù)測(cè)量，波導(dǎo)中心處的水平方向壓應(yīng)力為5.7×107Pa，而根據(jù)式(4)計(jì)算得到的壓應(yīng)力為6.0×107Pa(由表2可知：波導(dǎo)橫截面尺寸相對(duì)于包層和襯底厚度來說較小，因此可將波導(dǎo)視作薄膜，所以采用式(4)計(jì)算波導(dǎo)熱應(yīng)力，與測(cè)量值誤差很小)。陣列波導(dǎo)垂直方向(y方向)熱應(yīng)力分析圖如圖5所示。波導(dǎo)受到垂直方向的熱應(yīng)力主要來自其左右界面間的包層，即波導(dǎo)間包層會(huì)對(duì)波導(dǎo)產(chǎn)生垂直方向的拉應(yīng)力作用。由于波導(dǎo)間的包層厚度小，相對(duì)于波導(dǎo)橫截面尺寸來說較小，因此波導(dǎo)間包層可視作薄膜，而波導(dǎo)相對(duì)于波導(dǎo)間包層來說則是厚膜，所以，波導(dǎo)的熱應(yīng)力采用式(3)計(jì)算，所得波導(dǎo)中心處的拉應(yīng)力為1.30×107Pa，而測(cè)量值為1.56×107Pa，兩者誤差很小。通過式(4)計(jì)算得到波導(dǎo)間包層的壓應(yīng)力為5.60×107Pa，測(cè)量值為5.40×107Pa。此外，波導(dǎo)的左右界面離波導(dǎo)間包層越近，受到的影響越大，即拉應(yīng)力越大。

圖4 陣列波導(dǎo)水平方向(x方向)熱應(yīng)力分析圖Fig.4 Analysis diagrams of thermal stress in horizontal direction(x direction)of arrayed waveguides

圖5 陣列波導(dǎo)垂直方向(y方向)熱應(yīng)力分析圖Fig.5 Analysis diagrams of thermal stress in vertical direction(y direction)of arrayed waveguides

以上基于有限元方法得出的應(yīng)力結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果都接近，誤差較小，說明所建立的模型是正確的。

通過對(duì)與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)水平方向和垂直方向的熱應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然襯底和包層的熱膨脹系數(shù)相同，但波導(dǎo)在正交方向受到的熱應(yīng)力不同，其主要原因是波導(dǎo)在不同熱應(yīng)力分析方向上所處的情況不同。在水平方向上，波導(dǎo)相對(duì)于上下界面的襯底和包層是薄膜，在垂直方向上，波導(dǎo)相對(duì)于側(cè)面波導(dǎo)間的包層而言是厚膜，因此，由式(3)和(4)可知波導(dǎo)在2 個(gè)方向受到的熱應(yīng)力不同。

根據(jù)WPD計(jì)算公式，得出波導(dǎo)的WPD≥0.16 nm。為使波導(dǎo)在2 個(gè)方向的熱應(yīng)力相同，需降低WPD，以降低AWG的偏振相關(guān)波長。根據(jù)以上分析，主要有3種方案：1)增大波導(dǎo)間距，使波導(dǎo)間包層厚度相對(duì)于波導(dǎo)橫截面尺寸來說更大；2)減小波導(dǎo)上下界面處的襯底和包層的厚度，使它們相對(duì)于波導(dǎo)橫截面尺寸來說更?。?)增加波導(dǎo)包層的熱膨脹系數(shù)，使波導(dǎo)在垂直方向的熱應(yīng)力增至與水平方向熱應(yīng)力一樣大。方法1)和方法2)需要更改AWG 的結(jié)構(gòu)，這會(huì)對(duì)AWG 的其他性能產(chǎn)生很大影響，而方法3)只需在沉積包層時(shí)摻雜來增加包層熱膨脹系數(shù)即可，方法簡單，效率高，可行性強(qiáng)，所以，本文采用方法3)來降低AWG的WPD。

4 波導(dǎo)的WPD優(yōu)化

從上面分析可知，波導(dǎo)正交方向的熱應(yīng)力差和波導(dǎo)間距存在很大關(guān)系。與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)間距隨著遠(yuǎn)離連接處而呈線性增大。利用有限元熱應(yīng)力分析可得出波導(dǎo)間距與波導(dǎo)正交方向熱應(yīng)力及WPD的關(guān)系如圖6所示(其中，d為波導(dǎo)間距，σx和σy分別為波導(dǎo)水平和垂直方向的熱應(yīng)力)。由于光場(chǎng)主要集中在波導(dǎo)中心處傳播，所以，主要分析波導(dǎo)中心處的熱應(yīng)力。當(dāng)襯底的熱膨脹系數(shù)αSub與包層的熱膨脹系數(shù)αClad相等，且為0.55×10?6/℃時(shí)，隨著d增大，σx逐漸減小，σy逐漸增大，WPD逐漸減小并趨于0；而當(dāng)d小于5μm時(shí)，WPD大于0.05 nm。為對(duì)波導(dǎo)的WPD進(jìn)行更好優(yōu)化，在d小于5μm的波導(dǎo)部分增加包層的熱膨脹系數(shù)αClad，以減小d在1～5μm范圍內(nèi)波導(dǎo)的WPD，根據(jù)分析得出不同條件下波導(dǎo)間距d與WPD的關(guān)系如圖7所示。

圖6 αSub=αClad時(shí)，波導(dǎo)的WPD，σx及σy與波導(dǎo)間距d的關(guān)系Fig.6 Relationship among WPD,σx,σy and waveguide gap d at αSub=αClad

從圖7中曲線1可見：隨著d減小，要使波導(dǎo)的WPD為0 nm，所增加的αClad越大。而在制備工藝中，包層的沉積是同時(shí)進(jìn)行的，以保證均勻沉積，也就是αClad不能漸變，即在d為1～5μm時(shí)，增加的αClad都是相同的。為使d在1～5 μm 范圍內(nèi)的波導(dǎo)WPD優(yōu)化達(dá)到最佳，取此范圍內(nèi)增加的αClad為均值，即為2.42×10?6/℃。從圖7中曲線2可知：當(dāng)d在1～5 μm 范圍內(nèi)時(shí)，WPD均小于0.05 nm，這與d大于5 μm 且αClad=0.55×10?6/℃時(shí)的WPD一樣(也是小于0.05 nm)，滿足本文的設(shè)計(jì)要求。因此，為更好地優(yōu)化波導(dǎo)的WPD，對(duì)d為1～5μm范圍內(nèi)的波導(dǎo)增加αClad至2.42×10?6/℃，其余部位波導(dǎo)的αClad保持為0.55×10?6/℃不變。

圖7 不同條件下波導(dǎo)間距d與WPD的關(guān)系Fig.7 Relationship between waveguide gap d and WPD under different conditions

經(jīng)過上述方法優(yōu)化后的AWG，若其WPD與平板波導(dǎo)連接處的波導(dǎo)間距d為1～5μm 時(shí)的陣列波導(dǎo)(其優(yōu)化后的包層折射率為αClad=2.42×10?6/℃)在d=1 μm和d=5 μm時(shí)的WPD都小于0.05 nm，則認(rèn)為AWG中這部分的波導(dǎo)符合設(shè)計(jì)要求。AWG中除了與平板波導(dǎo)連接處的小間距(d為1～5μm)部位的陣列波導(dǎo)之外，其余部位的陣列波導(dǎo)間距d都大于0.5 μm，且相應(yīng)的包層折射率αClad=0.55×10?6/℃，在此情況下，取d=5 μm。若WPD小于0.05 nm，則可認(rèn)為AWG 中d大于0.5 μm 的區(qū)域波導(dǎo)也滿足設(shè)計(jì)要求。在一般情況下，AWG 的工作環(huán)境范圍為?40～80 ℃。采用高溫退火工藝對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行處理以消除其殘余應(yīng)力后，考察以下3 種情況：1)d=1 μm，αClad=2.42×10?6/℃；2)d=5 μm，αClad=2.42×10?6/℃；3)d=5 μm，αClad=0.55×10?6/℃。在這3 種工況下，研究波導(dǎo)工作在?40～80 ℃環(huán)境下的WPD變化規(guī)律，得到工作溫度與WPD的關(guān)系如圖8所示。從圖8可知：經(jīng)過優(yōu)化后的AWG，不論是在與平板波導(dǎo)連接處的波導(dǎo)間距d為1～5μm 的陣列波導(dǎo)部位，還是在d都大于5 μm 的其余部位的陣列波導(dǎo)，在工作溫度范圍內(nèi)，波導(dǎo)的WPD均小于0.05 nm，說明設(shè)計(jì)滿足要求。

圖8 工作溫度與WPD的關(guān)系Fig.8 Relationship between working temperature and WPD

5 工藝分析

5.1 摻雜分析

通過向與平板波導(dǎo)連接處的陣列波導(dǎo)包層中摻雜氧化物以增加此處包層的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)化WPD。摻入的氧化物不僅要能增加包層的熱膨脹系數(shù)，而且要維持包層的折射率不變，為此，向包層中摻入2種不同的氧化物。包層及摻雜氧化物的材料屬性如表3所示。表3中，由于氧化物A和氧化物B的材料屬性可根據(jù)選擇摻入的氧化物而定，其中摻入的氧化物可以是五氧化二磷(P2O5)、三氧化二硼(B2O3)和二氧化鍺(B2O3)等，具體地可根據(jù)工藝條件及需求進(jìn)行選擇與配比，因此，表3中的氧化物A和氧化物B的的材料參數(shù)(折射率n、熱膨脹系數(shù)α、摩爾質(zhì)量M、密度ρ)并沒有具體給定，而是用相應(yīng)的參數(shù)符號(hào)指代，各材料對(duì)應(yīng)的摻入量m則可在摻入的氧化物選定后通過相應(yīng)的公式計(jì)算得出。

根據(jù)第4節(jié)的分析可知，為更好地優(yōu)化波導(dǎo)的WPD，摻入氧化物A 和氧化物B 后需要將d為1～5μm范圍內(nèi)的陣列波導(dǎo)包層的熱膨脹系數(shù)αClad增至2.42×10?6/℃，并維持包層的折射率nClad不變，即nClad=1.444 1(見表3中SiO2包層折射率)。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以由式(5)，(6)和(7)計(jì)算氧化物A和氧化物B 及沉積包層的摻入量mA，mB和mClad。其中，式(5)表達(dá)的是包層的熱膨脹系數(shù)增至2.42×10?6/℃時(shí)應(yīng)滿足的條件，式(6)是在滿足式(5)的情況下維持包層折射率為nClad=1.444 1 時(shí)應(yīng)滿足的條件。式(7)是體積計(jì)算公式，為近似公式，其中V是需增加熱膨脹系數(shù)的包層體積，可通過前面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

表3 包層及摻雜氧化物屬性Table 3 Properties of clad and doped oxides

本文中，通過摻入P2O5和B2O3這2種氧化物來增加包層的熱膨脹系數(shù)。在工藝腔中充入SiCl4，BCl3和POCl3等混合氣體，采用火焰水解法(FHD)在波導(dǎo)上沉積摻雜包層，反應(yīng)方程式如式(8)，(9)和(10)所示。參考式(5)，(6)和(7)計(jì)算摻入量，可通過在工藝腔中控制反應(yīng)氣體的流量來實(shí)現(xiàn)包層的沉積與摻雜，從而達(dá)到增加包層熱膨脹系數(shù)的目的。

5.2 AWG制備工藝流程

在傳統(tǒng)的AWG制備工藝流程中，基于等離子體干法刻蝕出光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)沉積包層即可完成基本工藝，而在本文中，則需要在AWG的不同波導(dǎo)部位沉積熱膨脹系數(shù)不同的包層，這需要對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行一些調(diào)整與改進(jìn)，以便制備出本文所設(shè)計(jì)的AWG，優(yōu)化工藝如圖9所示。

在圖9所示工藝流程中，通過等離子干法刻蝕出光波導(dǎo)后(圖9(a))，采用FHD 對(duì)整個(gè)AWG 沉積摻雜包層(圖9(b))，以增加包層的熱膨脹系數(shù)，然后對(duì)包層表面旋涂光刻膠(圖9(c))，然后光刻顯影(圖9(d))，暴露出不需要增加熱膨脹系數(shù)的包層部位，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)對(duì)暴露出來的摻雜包層進(jìn)行刻蝕(圖9(e))，利用去膠溶劑(丙酮溶液)去除光刻膠(圖9(f))，再利用FHD 對(duì)整個(gè)AWG沉積未摻雜的包層(圖9(g))，最后采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)對(duì)AWG表面進(jìn)行均勻化處理(圖9(h))，最終得到在所需波導(dǎo)部位沉積摻雜包層的AWG器件。

圖9 AWG的制備工藝流程Fig.9 Preparation processes of AWG

6 結(jié)論

1)在石英基二氧化硅AWG中，波導(dǎo)間距過小會(huì)增大AWG的WPD，當(dāng)波導(dǎo)間距為1μm時(shí)，WPD≥0.16 nm。隨著波導(dǎo)間距增大，WPD逐漸減小。

2)通過摻雜氧化物，將與平板波導(dǎo)連接處波導(dǎo)間距為1～5 μm 的陣列波導(dǎo)熱膨脹系數(shù)增大至2.42×10?6/℃，可將此處波導(dǎo)的WPD降至0.05 nm 以內(nèi)。對(duì)于波導(dǎo)間距大于5μm 的其他部位，由于石英襯底和未摻雜的二氧化硅包層的熱膨脹系數(shù)相同，可將波導(dǎo)的WPD降至0.05 nm 以內(nèi)，從而使整個(gè)AWG器件的WPD能優(yōu)化到0.05 nm以內(nèi)。

3)分析摻入不同氧化物的搭配比例，并給出摻入量的計(jì)算公式，可為工藝中的摻雜提供參考，并在保證包層折射率不變的情況下增加連接處包層的熱膨脹系數(shù)。

4)提出一種新工藝流程來實(shí)現(xiàn)在AWG器件中不同部位波導(dǎo)處包層的摻雜，從而制備出低WPD的AWG 器件。結(jié)合本研究給出的優(yōu)化方案和工藝流程，可制備出WPD在0.05 nm以內(nèi)的AWG器件，滿足設(shè)計(jì)要求。