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浙江工业大学硕士学位论文 声光可调谐滤波器的理论研究与实验制作 摘要 声光可调谐滤波器( a o t f , a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) 因具有波长调谐范围 宽、滤波带宽窄、调谐速度快、同时对多波长操作等优点，广泛应用于波分复用 网络( w d m ) 中。利用声光可调谐滤波器可以实现滤波器、光开关、增益均衡 器等多种光器件，特别是可以用于实现光学分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 。实际的光纤通信系统中要求a o t f 器件的工作不依赖于 偏振，以适应光网络中偏振状态随机变化的光信号。而且单级的a o t f 已经不 能满足w d m 更高的滤波特性的要求，需要研制两级甚至多级的结构。本文的主 要内容就是在理论上对单级和两级a o t f 进行深入研究，设计结构参数，并实 验制作器件。 论文的第二章介绍了声光可调谐滤波器( a o t f ) 的理论基础，其中包括声 光作用的原理、光信号的偏振态、声表面波的产生和传播、声光耦合作用等。论 文的第三章具体介绍了如何在铌酸锂晶体上设计a o t f 的各个模块，包括光波 导、模分离器、声波导和叉指换能器等，并分别给出了它们的设计参数。论文的 第四章指出了单级a o t f 存在的缺陷，提出设计多级a o t f 的需要，重点研究 了利用光学反射镜来构造两级a o t f ，得到了优化的滤波特性。论文的最后对 a o t f 的制作工艺进行了研究：介绍了工艺的制作流程和材料的选取，设计了掩 模版的结构，通过反复的实验，分别制作了光波导、模分离器、声波导和叉指换 能器等部分，最终完成a o t f 的制作。 能器 关键词：声光可调谐滤波器( a o t f ) ，光波导，模分离器，声波导，叉指换 浙江工业大学硕士学位论文 t h et h e o r i t i c a ls t u d ya n de x p e i u m e n t a l f i a b r i c a t i o no fa c o u s t o o p t i ct u n a b l e f i i j e r a b s t r a c t t h ea c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) ，f o ri th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i d et u n a b l er a n g e ， n a r r o wb a n d w i d t h ，f a s tt u n a b l ev e l o c i t ya n ds i m u l t a n e o u sm u l t i w a v e l e n g t hf i l t e r i t c a nb es e r v e da so p t i c a lf i l t e r , o p t i c a ls w i t c ha n dg a i ne q u a l i z e r se s p e c i a la p p l i e di n o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) f o rt h ep o l a r i z a t i o no fo p t i c a ls i g n a li nt h e f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s r a n d o m ，i tr e q u i r e s t h a tt h e a p p a r a t u si s n o t p o l a r i z a t i o nr e l i e d f u r t h e r m o r e ，t h es i n g l es t a g ea o t fc a l l n o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fb e t t e rf i l t e rc h a r a c t e r i s t i c si nw d ms y s t e m s i tn e e d sd o u b l e s t a g e s t r u c t u r ea n de v e nm o l e t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st om a k ead e e p l yr e s e a r c h i nt h e o r yo fo n e - s t a g ea n dd o u b l e s t a g ea o t fa n df a b r i c a t et h ea p p a r a t u s i nt h es e c o n dc h a p t e ro ft h et h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa o t fw a si n t r o d u c e d ， i n c l u d i n gt h ee f f e c to fa c o u s t o o p t i c ，p o l a r i z a t i o no fo p t i c a ls i g n a l ，t h ep r o d u c t i o na n d t r a n s m i t t i n go fs a w ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) ，a c o u s t o - o p t i cc o u p l i n gt h e o r y i nt h e 雠r dc h a p t e ro ft h et h e s i s ，i tw a si n t r o d u c e dh o wt od e s i g na n df a b r i ct h em a i np a r to f a o t f , i n c l u d i n go p t i c a lw a v e g u i d e ，m o d es p l i t t e r , s u r f a c ea c o u s t i cw a v e g n i d ea n d i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r a n di tw o r k e do u tt h ep a r a m e t e r s ，r e s p e c t i v e l y i nt h ef o u r t h c h a p t e ro ft h et h e s i s ，i td e s i g n e dt h ed o u b l e s t a g ea o t ft or e p l a c et h es i n g l e s t a g e a o t fb e c a u s eo fi t sl i m i t m i o n m a i n l y , i ti n t r o d u c e dt oc o n s t r u c td o u b l e - s t a g ea o t f o fu s i n gr e f l e c t o r , a n dg o to p t i m u mc h a r a c t e r i s t i c s t h el a s tp a r to ft h et h e s i sw a sf o r t h es t u d yo ff a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fa o t ei ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e so ft h e 浙江工业大学硕士学位论文 l i t h o g r a p h y w i t ht h er e p e t i t i o no ft h ee x p e r i m e n t , w ef a b r i c a t e do p t i c a lw a v e g u i d e ， m o d es p l i t t e r , s u r f a c ea c o u s t i cw a v e g u i d ea n di n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r t h u sa na c t u a l a o t fw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) ，o p t i c a lw a v e g u i d e ，m o d e s p l i t t e r , s u r f a c ea c o u s t i cw a v e g u i d e ，i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：汤匕轮日期：矽眵年f 月z 夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密蟛 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：乡也国吵金日期：捌年f 月( 日 导师签名乙( j ii t t t l , l 日期瑚年j _ 月2 f 日 i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着信息化时代的到来，人们对于信息的需求与日俱增。对通信网的带宽和 容量提出更高的要求，促使了光纤通信网的迅速发展，这为波分复用( w d m ， w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 光网络的发展提供了机遇。采用波分复用 ( w d m ) 系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量迅速扩大几倍至 上百倍，从而大大地降低了传输的成本。 波分复用光网络的关键技术主要包括光纤技术、光器件技术、光接入技术、 光节点技术和光联网技术嘲。光网络技术的实现有赖于光开关、光滤波器、新一 代掺铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u m - d o p e d0 p t i c a lf i b e ra m p l i f e r ) 、密集波分复用 技术等器件和系统技术的进展。 在系统中引入光分插复用( o a d m ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉 连接( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i n g ) 等光节点技术，可以在波分领域直接实现 高效、灵活的全光交换和组网，进一步提高光传送网络的性能b 1 。0 a d m 节点只 要求具有使所需波长上下路，其他波长无阻塞地通过的功能，而0 x c 节点除了 实现上下路功能外，更主要的是能够完成网间信道的交叉连接，即具有波长路由 选择、动态重构和自愈功能，具有可扩展性、波长分区重用的特点。o x c 及0 a d m 网络节点是w d m 全光网的核心技术，能够对多波长的光信号进行交叉连接，具 有透明的传输代码格式和比特率，交叉连接容量大，交叉连接速率快和接入速率 范围宽，无需进行时钟同步和开销处理，监控维护参数少，没有光电转换，避免 了电子信号造成的瓶颈。o x c 的结构形式可以有多种多样，国外对o x c 及 o a d m 网络节点的研究已相当深入，并提出了多种实现方案，有基于空间交换 的o x c ( 采用光开关或光交叉矩阵) 、波长交换的o x c ( 如采用波长转换器或 阵列波导光栅a w g ) ，有基于解复用和2 2 光开关的o a d m ，也有采用光环形 器、光滤波器等实现的0 a d m 。 浙江工业大学硕士学位论文 基于声光可调谐滤波器( a o t f , a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) 的光分插复用 器被认为是实现动态可重构、波长可选择的新型o a d m 极具潜力的方案之一。 因此a o t f 的研究近来正日益受到重视，与目前应用的法一珀干涉仪、布拉格反 射器、电光可调谐滤波器、马赫一曾德尔滤波器等相比较而言，a o t f 具有如下 独特的优势钔： - 调谐速度快( 1 0 p s ) - 波长调谐范围宽( 1 0 0 n m ) - 滤波带宽窄( l n m ) 一易与光纤耦合，插入损耗低( ) c e x p - q ( x 一) 】 c c 。s 防g 一阢) 】一鲁s i n 胁g 一) 】) x 一) ( 3 4 5 ) c 船删争帆训e x p ( 掣) ) k ) 苴审c 柏恫一仙磊神，可由吉油旦的向一杪求徂l 的l ，j r 1 1 2 ：1 一 。 一。1 、。 一、。j 1 一 我们实际设计的a o t f 的声波导参数如图3 2 1 所示，声波导的宽度为 1 2 0 a n ，钛扩散的温度为1 0 5 0 。c ，扩散时间为3 0 小时。 3 5 本章小结 本章对a o t f 的四个主要模块：光波导、模分离器、叉指换能器和声波导 进行了理论分析和设计。首先从三肋q 光波导的折射率分布出发，分析了它的 模场，并利用有效折射率的方法得到了单模条件下的光波导的制作参数：宽度 w = 7 朋，厚度d = l o o n m 。接着介绍了模分离器的结构和原理，利用b p m 算法得 浙江工业大学硕士学位论文 n t 模分离器的参数：中央耦合区的长度l c = 3 6 0 , u r n ，波导的分叉角秒= o 5 。， 台宽s = 1 2 1 a n 。然后，通过分析叉指换能器的工作原理及基本结构，结合我们 的a o t f 要达到的性能要求，设计了电极数目n = 8 ，指条宽度为5 3 2 5 , u m 的叉 指换能器。本章最后，利用一种近似条形光波导的方法，设计了宽度为1 2 0 a n 的 声波导。 浙江工业大学硕士学位论文 第四章多级声光可调谐滤波器的研究 声光可调谐滤波器( a 0 1 f ) 广泛应用于波分复用( w d m ) 通信网络中， 作为其中的关键器件，其性能的提高对整个通信网络具有重要意义。但是由于单 级的a o t f 侧瓣过高，模式转换会产生多普勒频率漂移，以及带宽难以进一步 减小，造成了在w d m 中产生信道间的串扰，从而限制了其应用。而我们的设计 要求得到尽可能低的侧瓣，减少这种串扰。因此，有必要采用两级甚至三级a o t f 级联，使整个器件的滤波曲线相当于是单级a o t f 滤波曲线的乘积，从而满足 实际w d m 通信网络中的应用。 要实现级联a o t f 的方法有多种，如直接将两个a o t f 串联，或采用集成 光波导反射镜的方法，或采用改进的新型的s a w 波导结构等等，本文接下去就 对这几种方法分别进行阐述，比较它们之间的优劣。 4 1直接串联的两级a o t f 以两级a o t f 为例，将两个单级的匹配的a o t f 分别接出尾纤并使之直接 串联，如图4 1 所示： 图4 1 直接级联的a o t f 当两个分立的射频信号( 魍和肛) 分别加到两个单级a o t f 的叉指换能 器上时，能够分别激起声表面波( s a w ) ，它们分别与光波发生强耦合作用，依 次产生滤波的作用。经过理论计算，二次滤波后的滤波特性曲线带宽相比于单级 浙江工业大学硕士学位论文 a o t f 可以大大减小，极大地提高了其性能。 这种方法比较简单。然而，在实际运用时，所加的两个射频信号鸩和瓯的 频率调节很难达到完全一致，而且两个a o t f 的波导性能也难以完全相同。此 外，直接串联大大地增加了整体器件的长度，导致集成度降低，损耗也比较大， 这就使得实际的器件性能与理论预测值相差甚远。 4 2 利用反射镜的两级a o 吓 1 级联结构及原理 为解决上述问题，我们引入不依赖于偏振的集成光学反射镜【4 0 】，采用如图 4 2 的结构： 1 4 模分离器5 反射镜 图4 2 利用了反射镜的两级a o t f 结构示意图 它的作用原理可以解释为：当任意偏振态( t e 厂r m ) 的光波从模分离器l 的上端口入射，满足相位匹配条件的波长的光波发生完全的模式转换，在经过第 一个单级a o t f 中的模分离器2 之后，所有该波长的t e 模和t m 模都重新结合 成与偏振无关的光波，并被反射镜反射进入模分离器3 的上端口；然后再经过第 二个单级a o t f 的滤波作用，从模分离器4 的下面一个端口输出。而在经过第 一个单级a o t f 后未发生完全模式转换的波长的光波，都会从模分离器2 的上 熬 浙江工业大学硕士学位论文 面一个端口输出。同理，在第二个单级a o t f 中未转换的光波也会从模分离器4 的上端口输出。 2 反射镜 集成光学中常常需要实现多级器件的无偏振损耗的级联。如果直接用波导连 接多级器件，会大大增加整体器件的长度，导致集成度降低，而且会增加器件的 制作难度，同时还不能保证波导的均匀性。另一种方法是在同一样品上制作两个 平行的器件，再用弯曲波导相连，但是弯曲波导的曲率较大，损耗很严重。采用 反射镜则能很好地连接两条钛扩散l i n b 0 3 波导，而且传输损耗小，可以有效地 提高l i n b o ，基片的集成度，在集成光学器件中，特别是在需要多级级联的器件 中有着很高的应用价值。 不依赖于偏振的集成光学反射镜的具体结构如图4 3 所示。 t e 删啼 图4 3 集成光学反射镜结构示意图 图4 4集成光学反射镜原理示意图 3 4 它由两部分组成：一个y 结分叉波导和一段1 4 p r o 宽的双模波导，并在末端 浙江工业大学硕士学位论文 镀上对波长为1 5 5 a n 光波的高反射膜。当t e t m 光波从端口1 入射传播到端口 2 时，器件的作用相当于一个如图4 - 4 所示的零间隙耦合器，从端口l 入射的 t e t m 模均叉通从端口4 出射。作用原理可以用双模干涉理论【4 1 】来解释：当 t e t m 模通过端口1 入射后，波导中会激起两个导模基模和一阶模，可以 把它们看作是关于反射镜水平中心线的对称模和反对称模。因为在y 结部分波 导的间距沿径向不断变化，这两个导模的传播常数就不是确定的数值，设其位相 差为吮；在双模波导部分，也有两个导模存在，但它们均有确定的模传播常数， 设其传播常数差为厦，通过b p m 法可以求出：肪= 0 0 0 9 8 1 7 ，蜗m = o 0 0 4 3 。 在整个作用区域这两个导模要发生干涉。若设反射镜的中心作用区长度为丘， 当满足下列条件【4 2 】 瑚蜘慨三 ( 4 - 1 ) 且i 门一m i = 2 k ，k = - 0 ，l ，2 ，3 ，时，t e t m 模的对称模和反对称模同时在作用区末 端发生相消或相长干涉。为了让t e t m 模均叉通从端口4 出射，两模的位相差 应均为万的奇数倍【4 3 】，即1 1 ，m 同取奇数。此时相当于t e t m 模同时从反射镜 的端口2 出射，从而实现从一条波导到另一条波导的模式反射。 采用了集成光学反射镜的两级a o t f ，不仅工作仍然不依赖于光波的偏振 态，而且其中的两个模转换器共用同一个声波导，即只需要加上一个射频信号， 使器件的结构简单，同时也降低了制作的难度，而且性能稳定。 通过理论计算可以得到它们的滤波特性曲线如图4 5 所示。 图中的实线为两级a o t f 的滤波曲线，作为比较，也给出了单级滤波曲线， 如图中的虚线所示。从图中可以看出，两级a o t f 的性能较单级的滤波器已有 了很大的改善：最大的侧瓣从原来的1 3 d b 左右下降到了2 5 d b 左右：3 d b 带宽 也从1 4 n m 降低到0 7 n m 。 浙江工业大学硕士学位论文 图4 5 两级和单级a o t f 的滤波特性比较 在当w d m 网络对a o t f 滤波特性的要求更高时，可以在两级a o t f 的基 础上设计三级甚至更多级的滤波器。其中，三级a o t f 的结构如图4 - 6 所示。整 个器件中的三个模转换器仍然共用一条声波导，共用同一个i d t 来激发s a w 。 与两级的器件相比，只多了一个反射镜和两个模分离器。采用这样简单的结构， 可以大大降低制作的难度，也使得级联后的器件性能比较稳定。 k l a 2 ，丑n 竺竺垫 ， 1 翰露缀缀露霸沥滋露黪嚣琵沥覆滚瓣缀露荔黧覆荔覆覆骂蓊 鍪烈 图4 - 6 三级串联的a o t f 结构示意图 浙江工业大学硕士学位论文 三级a o t f 的工作原理与两级的类似。 但是，由于三个模转换器共用同一条声波导，声波导面积大大增加，将有可 能导致在三个模转换器上的声波场分布不均匀，从而导致实际制作和测量样品的 性能时，结果与理论计算所预测的结果产生很大的偏差。因此需要重新设计和确 定声波导和i d t 的结构和工艺参数。另外，采用多级a o t f 串联的结构时，虽 然能使滤波带宽和侧瓣高度两个主要性能指标得到明显改善，但其余的性能指 标，如射频驱动功率和插入损耗等都会有所下降。 4 3 采用新型s a w 结构的两级a o t f 上述的改进结构的一个不足之处就是，由于反射镜的存在，仍然不可避免的 增加了额外的插入损耗。对于需要低损耗、低串扰的w d m 系统来说，仍然不满 足。因此可采用最优化切趾器的声表面波( s a w ) 强度和最新设计的声表面波 导来减少所需的驱动功家 丛iiii 量哺 网 一 图4 7 采用不同结构的声表面波的强度特性 将s a w 波导一分为二，如图4 7 所示的结构。在横截面，s a w 的强度轮廓 的最大位置不同于光波导。因此，s a w 与光束的作用比较低。使用这种分开的 声表面波导来设计直接级联的具有低损耗、低串扰的a o t f 。它去除了反射镜后， 浙江工业大学硕士学位论文 实现了低串扰。另一个关键的问题是由于缩短了n 狎m 转换区域，而加宽滤波 器的带宽和减少了s a w 的射频驱动功率。 其结构设计图4 8 如下所示： 图4 - 8 采用分立的s a w 的级联a o t f 使用这样的直接级联的a o t f ，能够获得良好的传输特性：插入损耗小于 3 3 d b ，3 d b 带宽为0 5 n m ，侧瓣为2 5 d b 到2 7 d b 之间，如图4 9 所示： 4 4 本章小结 图4 9 采用分立的s a w 的级联a o t f 的滤波特性 本章先指出了单级声光可调谐滤波器的不足，然后提出采用多级声光可调谐 滤波器的方法，来满足w d m 系统更高的需要。研究了三种实现级联a o t f 的 方法，分析了它们的优缺点，给出了其滤波特性图。文中重点研究了利用反射镜 的两级a o t f ，分析了反射镜的原理和结构。 浙江工业大学硕士学位论文 第五章基于l i n b 0 3 的声光可调谐滤波器的 制作及实验结果 单级声光可调谐滤波器( a o t f ) 的制作方法是采用各种微细加工技术，在 l i n b 0 3 基片上制作出设计好的光学结构。 图5 1 是制作单级声光可调谐滤波器( a o t f ) 的工艺流程示意图。 本章首先介绍工艺流程各个部分的原理与实验步骤，主要包括基片准备、掩 模版准备、镀膜、光刻、腐蚀、去胶和钛扩散等。然后，按照第三章所设计的 a o t f 各个模块的具体参数，结合实验室的条件分别给出了声波导、光波导与模 分离器以及叉指换能器的具体的制作步骤及实验过程，并得到了各个部分的单独 工艺参数与实验结果。最后，在前面的基础上，制作了集成在一个铌酸锂基片上 的a o t f 。 i 一一一一一 l ；基 ：片 准 ：备 i l i 一一 i 一一一一一 ：掩 ；模 ：准 ；备 - 图5 1制作工艺的基本流程 浙江工业大学硕士学位论文 5 1a o t f 制作的工艺流程 5 1 1 掩模版的设计制作 根据单级a o t f 的设计，分别制作声波导、光波导与模分离器以及又指换 能器的掩模版。因为没有制作掩模版的条件，本文实验中所使用的掩模版是由中 国科学院微电子研究所制作完成的。尽管声波导、光波导与模分离器都采用扩散 钛的方式，但它们所需的扩散时间不同，因此设计时需要分别制作。另外叉指换 能器与光波导之间实际上还需要镀一层隔离层( s i 0 2 ) ，也需分开制作。这样，我 们总共设计了三块掩模版。集成在l i n b 0 3 晶体上的单个a o t f 的尺寸为 3 母4 0 m m ，但为了实验的方便，我们设计的3 个掩模版尺寸均为4 0 堆4 0 r a m ，并 且版上有位置标志，版上的图形都经过相应的计算，能保证在光刻的时候严格对 准套刻。附录1 - 4 分别是三层套刻总装图、声波导、叉指换能器、模分离器和 光波导掩模版示意图。 掩模版的质量将直接影响光刻图形形成的质量，从而影响器件的性能和成品 率。制作掩模版首先要选择掩模材料嗍。掩模材料主要分为乳胶掩模和硬质掩 模两类。在半导体工业发展初期，乳胶掩模大量使用。后来发展起来的硬质掩模 与乳胶掩模相比，具有耐久性好、图形质量优异等优点，因而近年来得到广泛应 用。本次制作选用的即是硬质掩模。硬质掩模材料的玻璃基片必须极为平滑、没 有伤痕、气泡及脉纹等缺陷。而其上的遮光模则必须与玻璃基片有足够的附着强 度、不易划伤、对各种强曝光、洗净液不产生浓度变化和不增加缺陷、容易形成 针孔少的模，且分辨能力高、图像蚀刻锋利等特点。满足上述要求的掩模材料是 制成高质量掩模版的基础。 掩模版的制作大致包括四步工艺： 1 计算机辅助图形设计； 2 制作掩模原版； 3 制作掩模母版； 4 复制工作掩模版。 在计算机辅助图形设计中采用l e d i t 软件对所提供的衍射图形数据进行数 浙江工业大学硕士学位论文 据处理，并将其转换成电子束存贮形式传入图形发生过程。即控制电子束按照所 设计好的阵列图形数据在光刻铬板上对光刻胶进行曝光，然后对光刻显影后的铬 板作腐蚀处理，未曝光部分由于光刻胶的保护作用铬层不受损失，而曝光部分的 铬层将被去除，这样就形成了器件表面图形的分布。在精缩过程中对掩模原版进 行缩小投影。要求掩模原版精确定位，并控制工作架的进给间隙精度，以保证获 得所需的掩模重合精度。同时在x 、y 方向上驱动工作架，制成掩模母版。对掩 模母版进行复制，最终得到工作模版。 5 1 2 基片准备 1 定向切割 ( 1 ) 对三m q 晶体厚度的要求 在a o t f 的设计中，l l ：n b o , 晶体的厚度主要由叉指换能器产生的声表面波 所决定。由于声表面波的能量仅集中在表面薄层内，当深度大于一个波长时，能 量就变为只有1 0 左右，所以基体的厚度可以非常薄，只要机械强度足够就可以 了，如果厚度过大容易因自身重力引起变形从而影响晶片的平整导致器件设计效 果变差。由于声表面波仅在晶片表面层的一个波长范围内传播，对于高频声表面 波来说，一个波长只有几个微米，通常，晶片厚度取o 5 至l 毫米。 ( 2 ) 晶体切取方向 首先，由于a o t f 中的所有部分都承载在z i ! g b o , 晶片上，z g n b o , 晶体切取 方向主要由器件中的叉指换能器工作特性决定的。用l i n b 0 3 晶体切取基片制作 a o t f 器件时，我们利用的是l i ：n b 0 3 晶体的压电效应，l i n b 0 3 晶体是压电晶体， 具有各向异性，所以压电效应只存在于晶体的切割取向上。 具体要考虑的有以下几个参数：一、压电常数q ，它反应了产生的电荷与 作用力之间的关系。d 计表示在j 类应力作用下，i 平面上产生的电荷量。二、衡 量压电体压电性优劣的机电耦合系数k ，其值越大换能效率越高，代表电能和机 械能互相转换的效率。因此，选择合适的切取方向以获得良好的电能和机械能的 浙江工业大学硕士学位论文 转化效率，并提高对声表面波的利用率以获得高的转换效率。 其次，a o t f 中沿声表面波导传播的声表面波将引起光波导折射率周期性的 调制进而使相应波长的t e t m 模式之间发生相互转化。a o t f 的响应时间主要 由声表面波在声光耦合区域的传输时间决定的。l i n b 0 3 晶体是各向异性的压电 体，声表面波沿不同方向传播速度是不同的。所以在设计切取方向上保证声波传 播的速度尽可能的快。设计中采用x 切割y 方向传播，机电耦合系数k 大，换 能效率高。 2 研磨抛光 晶片切取后，在镀膜前还要在洁净室经过研磨、抛光两道极精细的工序。只 有加工至表面十分光滑，无明显划伤或凹凸时，基片才可以使用。 3 基片清洗 在正式做实验前，还要进行基片的清洗工作。清洗主要是清除吸附在基片表 面上的各种杂质或油污。如果衬底与光刻胶粘附不良，在显影时会引起浮胶等质 量问题。衬底表面的颗粒玷污会使光刻胶和掩模接触不良，并在曝光过程中损伤 胶膜和掩模版，引起分辨率下降，造成针孔、小岛等图形缺陷。因此清洗效果的 好坏，将直接影响光刻的质量。 我们采用化学清洗的方法，即利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在 三肋以晶体表面上的杂质及油污发生化学反应和溶解作用，使杂质脱落。 5 1 3 镀膜 镀膜是波导器件制作中的重要一环，采用的方法有电子束镀膜、磁控溅射和 离子束溅射等等。我们采用电子束镀膜机蒸镀钛薄膜，而利用立式多靶磁控溅射 系统溅射d ，薄膜。 电子束蒸镀作为热蒸发技术的一种，是目前应用最广泛、技术最成熟的镀膜 技术，其原理是：金属灯丝在高温状态下，它内部的一部分电子获得足够的能量， 逸出金属表面，发射出热电子。在电磁场的作用下，热电子高速运动，并形成细 浙江工业大学硕士学位论文 束轰击被镀材料表面，热电子的动能转变成热能，使材料迅速升温而蒸发。电子 束蒸镀具有速度快、污染小、薄膜结合力强的特点，但薄膜堆积密度不够高，薄 膜在真空和空气中性能有变化，如波长的漂移等，在制备一些特殊薄膜时还有薄 膜结合力不牢、薄膜脱落的现象。 磁控溅射的原理是在垂直电场的方向上引入与电场正交的磁场，电子在正交 电磁场的作用下，由未加磁场的直线运动变成了摆线运动，大大增加了与气体分 子的碰撞几率，使离子化提高到5 6 ，对许多材料，溅射速率达到了电子束的 蒸发速率。同样，离子也要做摆线运动，但是，由于离子的质量比电子的大很多， 当离子开始做摆线运动时已打到靶上，携带的能量几乎全部传递给靶材。磁场强 弱直接关系到穿过靶面的磁通的大小，决定磁控的程度。由于磁场是不均匀的， 靶面的溅射刻蚀也是不均匀的。多次溅射后，靶材变薄，磁通增加，溅射容易。 磁控溅射不仅可以得到很高的溅射速率，而且在溅射的时候还可以减少二次电子 轰击基片，使基片保持接近冷态，因此又成为高速低温溅射法。与蒸发法相比， 具有镀膜层与基材的结合力强，镀膜层致密、均匀，容易控制等优点。 5 1 4 光刻技术 光刻技术是一种蚀刻技术【4 5 1 ，即在表面实现选择性地腐蚀。光刻工艺作为 表面加工方法，在半导体器件和集成电路制造中得到广泛地应用，这是因为光刻 不仅能进行非常精细地控制，而且在几何图形上有极大的灵活性等一系列优点。 目前应用在紫外光刻工艺中使用的光刻胶有两种型号，分别为正性光刻胶和 负性光刻胶，其中正性光刻胶的曝光部分为可溶解性而留下未曝光部分，而负性 光刻胶的曝光部分为不溶解性而未曝光部分可以被适当的溶剂溶解。光刻时，正 胶必须采用正版，负胶必须采用负版。正版的版子上的透光图案与光刻后衬底表 面腐蚀出来的图案相一致，而负版则与此相反。要制备出良好的光刻胶图形须经 过不断试验获取制备工艺的优化条件。光刻的具体工艺流程如图5 2 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 图5 - 2 光刻工艺流程图 1 涂胶 涂胶就是将光刻胶均匀地涂敷在三m d l 晶体的表面。涂胶的质量要求是： 膜厚度符合设计要求，膜厚度均匀，胶面上看不到干涉条纹；胶层内无缺陷( 如 针孔、回溅斑等) ；涂层表面没有尘埃、碎屑等颗粒。 本实验采用的涂胶方法是旋转涂胶。旋转涂胶，即通过旋转基片所产生的离 心力使光刻胶均匀地涂敷在基片的表面，其旋转的速度决定了光刻胶的膜厚。光 刻胶的膜厚是光刻工艺控制的一个重点，它对光刻有如下影响： ( 1 ) 膜厚对分辨率的影响 分辨率是光刻胶的一项重要性能指标，它是指用某种光刻胶光刻时所能得到 的光刻图形的最小尺寸。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目 来表示。而在实际工作中，分辨率常用显影后的最细条宽尺寸来表示。若能刻蚀 出可分辨的最小线宽为w 2 ( 线条间隔也为w 佗) ，则分辨率为1 w ( 条线毫 米) 。实验表明，负性光刻胶涂层越厚，分辨率就越低。但是，为了减少针孔以 获得较高的成品率，又需要使用较厚的光刻胶。因此，在选择光刻胶的膜厚时， 应折衷考虑分辨率与成品率之间的矛盾，只有这样才能制得高质量的基片。 ( 2 ) 膜厚对针孔密度的影响 单位面积上的针孔数称为针孔密度。光刻胶膜上的针孔在腐蚀过程中会传递 到衬底上去，危害极大。针孔的产生除与光刻胶本身的质量有关外，还与具体的 工艺条件和环境的洁净度有关。产生针孔的主要原因是颗粒性污染，所以保证所 有材料的纯净并在洁净的环境下操作是十分重要的。实验表明，光刻胶膜越薄， 抗蚀能力越差，腐蚀时产生的针孔密度就越大。至于针孔密度的测量可采用模式 输出统计法测得。 ( 3 ) 膜厚对胶膜与衬底粘附力的影响 当光刻胶涂层太厚时，由于曝光时大部分能量被上层光刻胶所吸收，达不到 浙江工业大学硕士学位论文 光刻胶与衬底的界面。对于负性胶而言，这会引起下层光刻胶曝光不足。在显影 过程中，底层光刻胶由于显影液的作用会发生膨胀甚至溶解，从而影响光刻胶图 形与衬底之间的粘附性。因此在涂胶过程中要严格控制转速、时间等参量。在其 他条件不变时，膜厚主要取决于转速嗍。 2 前烘 前烘的目的是加速胶膜内稀释剂的挥发，以增加胶膜和基片表面的粘附力和 胶膜的耐磨性【4 7 】。前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特 性、曝光特性、显影特性以及线宽的精确控制都有较大的影响。实验表明：前烘 温度越高、时间越长，溶剂的挥发量越多，胶膜的粘附性越小，使光刻胶的抗蚀 性变坏。但是，对于一定的温度，当前烘时间超过一定值后，溶剂的挥发量将趋 于饱和。 理想的前烘方式必须具有温度均匀和溶剂去除迅速、清洁、高效等特点。前 烘的温度较低时，成品率较高。但是升高前烘温度有利于减小光刻胶图形与掩模 版图形的线宽差。本实验室采用的前烘设备是热板，热板前烘是将基片放在热板 上，热量通过热板直接传给基片。 3 曝光 曝光是光刻工艺中的一道关键工序，它是对涂光刻胶的基片进行选择性的光 化学反应，使曝光部分的光刻胶改变在显影液中的溶解性和经显影后在光刻胶膜 上得到和掩模版相对应的图形。影响曝光质量的因素有很多，如掩模版和光刻胶 的接触情况、曝光光线的平行度、曝光量、光刻掩模版的质量等等。其中关键的 控制参数是曝光量e ：e = t 。【4 8 1 ，式中i 为曝光强度；“为曝光时间。当曝光时 间太短时，产生的酸催化剂的量就不够，即使在适当的后烘条件下所有的酸催化 剂都发生了反应，光刻胶的交联密度也不高。反之，当曝光时间过长时，会使光 刻胶不感光部分的边缘微弱感光，产生“光晕 现象，导致显影后波导间隙变小 因此，适当的曝光时间是保证图形质量的首要因素之一。 各种光刻胶的感光光谱灵敏度曲线是不同的，但它们都只对紫外光感光。常 用的紫外线光源是高压汞灯。紫外光刻的技术有多种，应用较多的是接触式和接 近式曝光。我们采用的是后者，型号为b g 7 0 6 曝光机。因为这种曝光法的设备 简单，操作方便。 浙江工业大学硕士学位论文 4 显影 对于正性光刻胶而言，显影就是用溶剂去除胶层的曝光部分，在基片上形成 所需的光刻胶图形。当把曝光后的基片放入一定浓度的显影液当中，曝光部分的 光刻胶经显影后被溶解而去除。而未曝光部分的光刻胶已交联形成网状聚合物， 因此显影液对它基本没有溶解作用。 在实际中要把握的是显影的时间，因为它对显影效果是极为重要的。显影时 间过长，会使胶膜软化膨胀，图形边缘变坏，影响分辨率，甚至出现浮胶现象。 若显影时间过短，显影不足，图形边缘有一过渡区，也会降低分辨率。同时还可 能在应该除去光刻胶的区域留下一层不易觉察的抗蚀剂。造成腐蚀不彻底，产生 花斑状的氧化层“小岛 。 实验中我们采用的显影方法是浸渍显影，即将曝光后的l i n b 0 3 基片浸泡于 显影液中，并使基片与显影液作相对运动，再经过一定时间后取出。 5 后烘 显影后需要对光刻胶后烘，这一步也可以称为坚膜。后烘的目的是为了使曝 光后的胶层曝光区域发生更加完全的交联，以便显影后能得到高质量的微图形结 构。后烘的时间由光刻胶的厚度及曝光时间来控制，光刻胶越厚，曝光时间短时， 后烘的时间应长，这样可使交联变的充分，开裂也会越少。但超过一定的时间限 度，作用也不明显了。 5 1 5 腐蚀 腐蚀就是用适当的腐蚀液( 例如本实验用浓盐酸试剂) ，将无光刻胶膜覆盖 的氧化层( 或其他薄膜) 进行腐蚀掉，而把光刻胶覆盖氧化层的区域( 或其他薄 膜) 保存下来。这样基片表面得到了所需要的图形。选用的腐蚀液必须既能腐蚀 掉裸露的氧化层( 或其他薄膜) ，又不损伤基片表面的光刻胶层；还要求毒性小， 腐蚀出来的图形边缘整齐和线条清晰。腐蚀时间应由腐蚀速度和氧化层厚度来确 定。 浙江工业大学硕士学位论文 5 1 6 去胶 在所需的图形腐蚀出来以后，把覆盖在图形表面上的保护胶去除干净，用去 离子水冲净后并烘干。 5 1 7 钛扩散 对于z i u b 0 3 晶体的钛扩散，我们一般采用热扩散的方法。热扩散是在电炉 中进行的，扩散的温度最好控制在9 5 0 - 1 0 2 0 c 。的范围内。如果扩散的温度达到 了1 0 5 0 c 以上，在z 扩散表面，晶体的极性就会发生翻转。扩散结束后，还须 将晶体的温度在1 0 - - - 2 0 m i n 的时间内急速冷却到室温，冷却时间如果长达1 h ， 波导的表面就会产生微细的裂纹，波导光的散射损耗就会大大增加。 5 2a o t f 的实验制备 通过对以上工艺原理的分析，结合前面第三章所设计的a o t f 的各个光学 模块的具体参数，我们经过反复实验，摸索出了以下的工艺制备过程，并得到了 实验的结果。 5 2 1 声波导的工艺制作 按照前面第三章的设计，我们所需的声波导参数如图3 2 1 所示，声波导的 宽度为1 2 0 a m ，钛扩散的温度为1 0 5 0 。c ，扩散时间为3 0 小时。按照本章前面 的工艺原理，结合具体的实验条件，进行了如下的工艺步骤： 1 基片清洗 依次用四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水超声清洗三分钟，然后烘干。 2 蒸镀钛膜 浙江工业大学硕士学位论文 用电子束镀膜机蒸镀钛薄膜。其中钛源纯度为9 9 9 9 ，功率为6 0 0 0 w ，真 空度为2 3 1 0 - 4p a ，衬底温度为2 5 0 。c 。膜层的厚度监控采用石英晶体法，并通 过计算机自动显示和控制，膜厚1 6 0 n m ，时间约为3 2 0 0 秒。 3 光刻 首先在钛膜表面涂a z 5 2 1 4 光刻胶( 负胶) ，匀胶机的转速设置为3 0 0 0 转 分，时间为3 0 秒；然后在9 0 。c 电热板上前烘1 分钟；紫外光曝光机功率为2 0 0 w ， 曝光时，先掩模曝光3 0 秒，然后在1 2 0 。c 的热板上烘1 5 0 秒，再无掩模的情况 下紫外曝光7 0 秒；显影用专业显影液与去离子水的混合液，比例为1 ：1 ，显影 5 0 秒后得到声波导反图形胶膜。 4 腐蚀钛薄膜 室温下在浓盐酸中腐蚀约1 分钟，将未被光刻胶掩蔽的钛膜腐蚀掉，得到声 波导的钛膜图形。 5 去胶 用丙酮溶液浸润去胶，然后将样品进行清洗并烘干。 6 钛扩散 在流动的湿氩气环境中，在1 0 5 0 。c 高温下扩散3 0 h 后，在氧气中降温至 6 0 0 。c ，制成声波导。由于在显微镜下观察的声波导图形太大，无法拍摄照片。 图5 3 仅为光刻步骤后的实验图片。 浙江工业大学硕士学位论文 5 2 2 光波导与模分离器的工艺制作 按照前面第三章的设计，我们所需的光波导的参数为f = 1 0 0 n m ，w = 7 u r n 。 模分离器的中央耦合区的长度三。为3 6 0 u n 。按照本章前面的工艺原理，结合具 体的实验条件，进行了如下的工艺步骤： 1 蒸镀钛膜 用电子束镀膜机蒸镀钛薄膜，钛源纯度为9 9 9 9 ，功率为 6 0 0 0 w ，气压为2 3 1 0 - 4 p a ，衬底温度为2 5 0 。c ，膜层的厚度监控为石英晶体法， 并通过计算机