CN1157611C - 光学波导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光学波导装置，其包括：一个衬底，衬底上的一个下覆盖层，下覆盖层上的一个上覆盖层，在所说的覆盖层间的波导元件。衬底对光波导装置的由应力引起的双折射的影响是通过改进波导元件下面的衬底而降低的。

Description

光学波导装置
技术领域
本发明涉及到一种降低双折射的光学装置。更具体地，涉及到一种平面光学装置，其中通过改进波导元件下面的衬底而减弱了衬底对光学波导装置中由应力引起的双折射的影响。
背景技术
集成平面光学波导装置通常包括：在一个适当的衬底上构成的玻璃基材料的一个多层堆。在玻璃材料包含多层结构的情况下，硅衬底可用作构造基底，因为它便宜且它的处理方法是众所周知的。在构造过程中(生长、扩散、退火)，由于多层堆热处理的应用，硅和玻璃不同的热膨胀系数使光导结构内部引起的各向异性的应力产生难以接受的高值，在靠近波导芯处更为明显。产生的应力改变了TE和TM光学偏振的传播特性，换句话说，应力各向异性导致了双折射，即依赖于偏振的折射率。作为一个实例，带SiON芯层的硅上二氧化硅波导技术中能观察到折射系数的高度对比。在SiON波导技术的使用及可量测性方面，光学双折射是一个限制因素。
在1986年7月的Elecrochem.Soc.：Solid state science andtechnology的第1458-1464页中的Claassen，v.d.Pol，Goemans和Kuiper的题为“等离子体增强CVD沉积的硅氮氧化物膜的特性”(“Characterization of Silicon-Dxynitride Films deposited by PlasmaEnhanced CVD”)的文章中，研究了用不同气体混合物通过等离子体增强沉积而成的硅氮氧化物层的组成及其机械性质。其中指出，机械应力强烈地依赖于层中含有的氧和氢的数量。在高于沉积温度的温度下的热处理中，由于氢的解吸附作用和交联而使得膜致密。
在1980年8月的J.Appl.Phys.第51卷第8期4197-4205页，Shintani，Sugaki和Nakashima的题为“在化学汽相沉积玻璃质膜中应力的温度相关性”(“Temperature dependence of stresses in chemicalvapor deposited vitreous films”)中指出，在与沉积背景压力相关的透明硅酸盐玻璃中出现了拉应力和压应力的不同组分，还观察到了应力的迟滞。
在1983年9月的J.Appl.Phys第54卷第9期5064-5068页上，Blaauw的题为“在GaAs和Si上化学汽相沉积SiO2和等离子体SiNx膜中的应力”(“Stress in chemical-vapor-deposited SiO2 andplasma-SiNx films on GaAs and Si”)的文章中，在GaAs上的CVD-SiO2和等离子体-SiNx膜中，应力是作为温度的函数测量的。随着诸如膜的厚度、掺杂和退火参数的不同，可以观察到应力的不同性质。
在1990年9月/10月的J.Vac Sci.Technol第B8卷第5期1068-1074页B hushan，Muraka和Gerlach的题为“用化学汽相沉积技术沉积的二氧化硅膜中的应力以及退火对这些应力的影响”(“Stress inchemical-vapor-deposited SiO2 and plasma-SiNx films on GaAs and Si”)的文章中，讨论了作为退火温度函数而现场测得的应力。研究了不同的沉积技术，在硅衬底上的PECVD二氧化硅膜中，随着退火温度的提高观察到应力从拉伸到压缩的一种变化。
在US 5502781中，公布了使用磁致伸缩、电致伸缩或光致伸缩产生的应力来改变装置中一个或多个波导的光学性质的集成光学装置。这种集成光学装置包括：至少一对光学波导，优选地是做在衬底上的覆盖材料之中的。把一种施加应力的材料，可以是磁致伸缩的、电致伸缩的或是光致伸缩的材料，添加到靠近至少一个光学波导的覆盖材料的上表面。适当的磁场、电场或光场加在施加应力的材料上时，该材料中就会有产生一种二维变化的倾向。可是，由于粘着在覆盖材料上而产生的该施加应力材料的约束状态，使得集成光学装置中产生张应力和压应力的区域，以及相关的应变。通过装置中在受张应力和压应力作用的一个区域内放置一个或多个光学波导，应力波导的光学性质可以发生变化来完成开关和调制作用。通过使用一个受控产生的应力把集成光学装置中的一个或多个波导“调谐”到所需的折射率或双折射率，且在移走场后仍能保持，这样的可锁存集成光学装置已经实现了。
在US 4358181中，公布了一种高数值孔径梯度折射率光波导预制件的制造方法，其中在制造过程中，两种掺杂成分的浓度是变化的。为产生所需的径向折射率梯度，在预制件形成的过程中，第一种掺杂物GeO2的浓度是径向变化的。第2种掺杂物B2O3是径向变化的，用来补偿由于GeO2浓度的变化引起的热膨胀系数的径向变化。在覆盖层中加入B2O3，使得覆盖层的热膨胀系数等于或大于芯的复合热膨胀系数。由于热膨胀梯度而在内表面产生的剩余张力量值降低了，并且消除了预制件的过早破裂。
在US 4724316中公布的是一种改进了的类型的光纤传感器，其中传感器的光纤波导组件做成对外部参量敏感的，使得在响应所感应到的外部参量的变化而产生的力时，光纤波导的曲率是变化的。光纤波导曲率的变化导致所通过的光密度变化，这些变化表示了外部参量的状态。这种改进包括覆盖在光纤波导外面的涂层材料，涂层材料有一个膨胀系数和厚度，使得光纤波导上由于受热而在涂层材料和玻璃纤维之间产生的应力引起的变形基本消除。还公布了支撑这种弯曲的光纤波导的一种支撑部件，支撑部件与光纤波导被组合成使试图把波导与支撑部件分开的热应力效果最小。
在美国专利4781 424中描述了一种在光导信道内降低所产生的应力的一种方法，为了消除玻璃层内的应力成分，使用了与信道邻近的槽。US 4781 424涉及到一种单模光学波导，它有一个衬底，在衬底上形成一个覆盖层，在覆盖层中嵌入一个芯部分，而且还有一个用于对芯部分施加应力的细长部件或是一个在覆盖层中沿芯部分的用于减少芯部分的应力的应力减缓槽。细长部件或是槽的形状和材料是以这样一种方式确定的，使得根据衬底和单模光波导之间的热膨胀系数的差异，芯部分产生的由应力引起的双折射是一个所需的值。在公开的全部方法中，本装置受到来自上侧即波导装置放置的一侧的作用。所公布的方法还用了一个掩模来确定槽并用一种切除技术来制作槽。这两点导致了明显的额外加工工作。
在EP 0678764中，说明了一种与偏振无关的光学装置的制造。该装置的制造包括：在硅衬底上制造波导结构，加一个玻璃加强层，把波导结构下面区域的硅衬底切除掉。切除掉波导结构下面的硅是通过消除压应力源而消除了与偏振相关的光谱效应，而且所得到的玻璃加强结构对实际应用是足够坚固的。
US 5483613涉及了与偏振无关的光学装置，它是通过减小或消除应变产生的与现有装置结构有关的双折射。制作的光学装置包括热膨胀系数在8×10-7℃-1～15×10-7℃-1之间的掺杂二氧化硅衬底。在掺杂二氧化硅衬底上形成一个热膨胀系数在8×10-7℃-1～15×10-7℃-1之间的掺杂二氧化硅波导结构。或者，掺杂二氧化硅衬底的热膨胀系统选择在大约为掺杂二氧化硅波导结构的热膨胀系数的90％-110％。另一方面，US 5483613中提供了一种光学装置包括从下表面到上表面有一定掺杂梯度的一个掺杂二氧化硅衬底。在上表面的掺杂含量使它的热膨胀系数接近在其上形成的掺杂二氧化硅波导结构的热膨胀系数。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能降低波导结构的应力或是很好地确定所关心区域的应力值的光学装置。
另一个目的是提供可替代本领域现有技术来降低光学波导装置中的双折射的一种解决方法。
根据本发明的光波导装置包括：一个衬底，在衬底之上的下覆盖层，在下覆盖层之上的上覆盖层和在所述上下覆盖层之间的具有预定宽度的波导元件，其特征在于，通过在所述的衬底和所述的下覆盖层之间设置层成分，降低了所述衬底对所述光学波导装置中由应力所致双折射的影响。
具有这种特点的光学装置有如下优点：衬底的影响在波导下面的区域减少了，由于这一事实，与之有关的工序对衬底上的波导装置的影响更小了。由于波导结构极易受像热或机械影响这种后处理影响，因此最为有利的是波导结构完成后，加工工序对它不会或是只有极少的影响。通过从波导结构下面处理衬底，明显减小了损伤波导结构的可能性。而且即使是在其他情况下会损伤波导结构的刻蚀工具在此也可以使用，这是因为这一加工是经过衬底下侧且在刻蚀工具和波导结构之间不会有接触。这就扩大了衬底加工材料和工具的选择，也降低了损伤波导结构的危险。
而且，从衬底下侧加工使得采用衬底的非特定空间预处理成为可能，非特定空间预处理就是涉及到整个晶片下侧且不带掩模之类形式的区域选择组件的一种处理。比如，在采用刻蚀工序更准确或是空间选择性衬底切除之前，可以首先采用一种机械抛光工序。
波导元件下面的脊状突起元件非常容易制造，而且不会减少这种机械装置的稳定性，因为它不需要任何不同材料且采用成熟的衬底生产方法和最终也是众所周知的光刻方法。
选择脊状突起元件的宽度，使之不引入额外的传播损失，优选的是至少大约等于波导元件的宽度加上上覆盖层厚度的两倍，这是一种对外形的选择，在脊的制造过程中，这可以避免使用复杂的光学波导理论而代之以易于理解的简单公式。
与脊状突起元件的上表面垂直的方向上沉积率较高，在垂直于脊状突起元件侧壁的方向上沉积率较低，在以这种沉积率沉积覆盖层的时候，侧壁的垂直性很大程度地不受影响，因而，脊状突起元件水平方向尺寸也同样保持。这最适于脊状突起元件放松应力影响。
另一种可选方法是选择使衬底不延伸到波导元件下面。这样带来的好处是也不需要额外的材料来获得所需的降低双折射的影响。因此波导结构甚至与衬底产生的任何可能的双折射影响分开。这意味着，即使衬底是由一种与覆盖层和波导芯有不同热膨胀系数的材料做成的，它也可以不受双折射的有害影响而使用。
一种有利的解决办法是至少切除波导元件下面区域的一部分衬底，因为这个工序可以在完成最终的波导设计和生产过程之后来做。因此并不需要波导结构的预期图示，因为切除可以适合于最终存在的波导结构。这给设计留下了更大的自由度。而且，为了制备衬底开始时并不需要有复杂的掩模或是原版结构。衬底首先做为一个整体被构造，然后再用一些切除工序来处理。可使用许多切除工具，有化学的也有机械的。
在衬底被切除的区域里填充了热膨胀系数至少约等于波导元件的热膨胀系数的填充成分时，该配置的稳定性有所提高，保持了双折射的降低。材料的选择比用单纯修改衬底更为广泛。填充成分也可以在完成波导的生产过程包括最后的热处理之后再填进去。在这种情况下，填充成分不需要有特定的热膨胀系数，因为不再假定有极端热膨胀差异，这是因为填充成分不经历上述过程的极端温度。填充材料于是用作纯粹的机械稳定器。更一般地，填充成分可以是一种有预定膨胀系数的成分，以便调节所产生的双折射，从而得到一个其所需的值。
光学波导装置是机械稳定时，优选为固定在一个稳定元件且/或在上面沉积一个稳定层，这样它在粗糙的环境条件中就不会有受损坏的危险。
另一个好的解决办法是对波导元件下面的区域的衬底进行化学改进，来形成一个改进了的衬底区域，使其热膨胀系数至少约等于波导元件的热膨胀系数。这种方法利用了衬底自身稳定的优势，而且用这种方式只增加了一个不影响材料运输的改进工序，像填充一个凹陷或是制做一个缝隙即可。这种改进可以看成是在所需的区域对衬底的某种软化，这样在波导结构下面就不会形成应力。
把粘度比下覆盖层粘度低的一个层成分放在衬底和下覆盖层之间时，该层成分用于减小应力。一个很强的优点是保持整个配置的平面性和稳定性。更进一步，这个层成分可以通过简单的沉积或是材料调整的方法来制备，甚至不需掩模工序。这个层成分可以通过化学改变衬底表面和/或下覆盖层和/或在衬底和下覆盖层之间沉积额外的层来制备。这提供了多种改进的可能性，其也可用于优化层成分对于降低应力功能，以及机械稳定性和对装置性能的光学影响的特性。
相对层成分的粘度来说，这种材料也可称为浮层，它可以这样选择，使得在粒子留在衬底表面而使表面变得不平的情况下，浮层由于它固有的柔软性而把这些粒子或颗粒结合进去，从而使衬底表面再变平。在浮层上生长的波导结构就能利用一个更平的表面。
光学波导中的双折射是决定一个波导类光学元件性能的重要因素之一，因此希望能高度准确地把双折射控制在一个所需值。
本发明解决了平面光学波导技术的一个关键问题，这就是由于在热处理工序中产生的各向异性的应力而引起的双折射。它使得能够以极低的偏振相关性生产与硅有关的光学元件。
这个问题是通过从波导结构下面改进衬底解决的，这使得波导结构基本上不受改进工序的影响。
改进包括：在衬底和波导结构之间放一个层成分。另外，也可以在波导芯下面做一个脊状突起元件、全部或部分切除波导芯下面的衬底、或对波导芯下面衬底完全或部分地化学改变。脊、该层成分和化学处理甚至可以在波导结构做成之前进行，使得这些消除双折射的措施不会影响装置的性能。生产光学波导装置的最后工序只是上覆盖层的制备和最后的一个热处理，如退火工序，它们是在波导结构做好后要进行的唯一两道工序。
实际上，可以设想将不同的降低应力的技术结合起来。以这种方式可以利用各种技术不同的切除率和选择性。
此外，根据本发明的制造光学波导装置的方法，包括如下步骤：
-提供一个衬底，
-沉积在衬底上一个下覆盖层，在下覆盖层上一个上覆盖层，在
所述的上下覆盖层之间一个有预定宽度的波导元件，
-在所述衬底和所述下覆盖层之间设置一个层成分用来降低所述衬底对所述光学波导装置由应力引起的双折射的影响。
附图说明
本发明的例子绘制于附图中并以举例方式在下文中作详细描述。
图1.带脊状突起元件的波导的截面图。
图2.对波导元件下面的衬底进行了切除的波导的截面图。
图3.对波导元件下面衬底进行了化学改进的波导的截面图。
图4.带一个层成分的波导的截面图。
为清楚起见，所有图都未按真实的外观尺寸绘制，也未按它们之间的比例绘制。
具体实施方式
图1是一种非平板衬底1的光学装置的侧视图。衬底1上有一个截面是长方形的脊状突起元件2。在衬底1和脊状突起元件2上有一个覆盖了脊状突起元件2和衬底1的整个表面的下覆盖层3。在下覆盖层3上有一个截面是长方形的波导元件4，也称之为波导芯或芯，放置在脊状突起元件2也称脊的上方中间。在整个该配置上面有一个上覆盖层5。图1中未图示出整个装置在与图所在平面垂直方向上的延伸。波导元件4和覆盖层3，5的邻接部分一起形成一个波导结构。该配置总体上形成一个光学装置，叫做光学波导。
由于它的功能是波导，下覆盖层3有第一折射率n3，上覆盖层5有第二折射率n5，二者都比第三折射率n4低，第三折射率是波导芯4的折射率，其包含SiON。
波导芯材料中氮的含量决定它的折射率。因此，一旦要得到预定的折射率，氮的含量就限定在了一个窄的范围内。为了消除SiON材料中的N-H键，可以使用退火工序来分离SiON材料中相当数量的氢。N-H键对装置的功能有一定的负作用，因为它们会使波长为1500nm附近范围中的光吸收增加，而1500nm是处于光数据传送的光信号传输窗口。退火后可以获得低损耗，但是，如果是传统设计的装置，还会使机械应力作为一种负面影响保留下来。
脊2的截面尺寸约为10μm。覆盖层3的厚度约为10μm。硅衬底1的厚度一般为0.3～1mm。在制备于硅衬底上的二氧化硅单模光学波导中，由于二氧化硅玻璃和硅衬底1之间的热膨胀系数不同而使得玻璃膜表面内部产生数量级为15kg/mm2的强大的压应力，因此光学波导表现出应力引起的双折射。
然而脊2限制了波导结构侧向的伸张。由于波导元件4周围的区域相对于平行衬底1方向的膨胀不受限制，它可以侧向膨胀和收缩，由此脊2的水平尺寸应该使得它不会或只是很低程度地作为一种下衬底，或者说为侧向热膨胀提供限制。因此，可接受的值为约15μm宽。水平地看，脊比衬底1小，它会使波导结构受到较少的热膨胀限制，并因此可以降低应力和双折射。这样，在热循环中产生的应力以及由应力而产生的双折射可以实质上降低。衬底1水平方向的任何膨胀或收缩就不会延伸到波导部分，使之在脊状突起元件2上不会受到影响。
脊2的宽度也应设计得不带来额外的传播损耗。取决于实际实施情况，它的侧向延伸优选的是与光场的尺度相当或略大，即10～20μm。此处光场的尺度确定为波导芯4的尺寸加上邻接波导芯的渐逝场部分的区域，其一般是约3-5μm。
下面描述的是上述装置的制造工序。
首先，可以通过刻蚀构造衬底1，使得脊状突起元件2形成在衬底1上面。蚀刻可以通过KOH蚀刻剂来完成，产生一个约55度的侧壁坡度。这是个低成本方法。或者采用反应离子刻蚀制作垂直的侧壁，这可以更有效地去除应力。
接着形成下覆盖层3，比如用二氧化硅制成。也可以用脊2的热氧化，这是个低成本方法。或者，也可以在脊2上沉积一种PECVD氧化物来形成下覆盖层3。这种方法的优点是脊2的水平面的沉积率比侧壁的高，这样加强了结构的效果，还带来了额外处理的可能性。也可以周氧化物蒸发，这会使二氧化硅的质量较差但优先在水平表面上会有高的方向选择性。
为形成波导4，沉积掺杂SiO2，SiON，PSiON等，例如可以用PECVD或LPCVD工艺。然后可以借助掩蔽和接下来的反应离子刻蚀来构成波导芯材料。
最后采用沉积方法在波导元件4上通过PECVD或LPCVD或其他适当工艺形成上覆盖层5。
图2是用衬底切除生产对偏振不敏感的平面光学波导的例子，即带一个晶片形式的平面衬底的光学装置的侧面图。
在衬底1上有一个覆盖了衬底1的整个表面的下覆盖层3。在下覆盖层3上有一个截面为长方形的波导元件4，也叫做波导芯或是芯。在整个配置上面有一个覆盖层5。衬底1上在波导芯4的正下方有一个凹陷6，这意味着衬底1不延伸到波导元件4下面。在装置的顶部沉积一个提供结构稳定性的装置稳定层9。实际此处存在但图2中看不到的是整个装置在与图所在平面垂直方向上的延伸。波导元件4和覆盖层3，5的邻接部分一起形成一个波导结构。这个配置总体上是一个光学装置，叫做光学波导。对于覆盖层3，5，这里使用氧化物层。
描述的这个装置是通过部分或全部切除波导结构下面的衬底1来降低应力的例子。这个方法适合消除由于在高温时硅衬底1和氧化物层3，5不匹配这种由热引起的应力。波导装置在波导芯4附近区域基本上能保持为无应力的全玻璃膜。
覆盖层3，5于是一起在凹陷6上的区域形成一个隔离膜，隔离膜由稳定层9加以稳定，这一稳定对下面的加工和处理工序是有用的。
衬底1的切除也可以在整个晶片的后表面进行，或只是在它的一部分，或只是在一定深度上进行。
由于波导放在独立式隔膜之中，而且与晶片单边连接，可以采用在晶片水平方向部分地切除衬底1。
也可在垂直方向上部分地切除衬底用于应力补偿。
可以采用几种方法切除硅衬底。
a)硅衬底1的化学机械抛光。该方法的优点是有高的切除率。
b)刻蚀(液体刻蚀或是干刻)或是电化学抛光。这些方法的优点是对微小裂缝的形成来说这些方法更柔和，对非平面性更宽容。刻蚀还有允许空间选择性切除的额外优点。
实际中可设想将这些技术结合起来。以这种方式可以利用各种技术不同的切除率和选择性。
针对形成的隔膜对进一步加工来说不具有足够的稳定性，为加固装置，可设想下面的措施或是这些方法的结合：
a)在切除衬底之前，在波导结构顶部沉积二氧化硅类材料，此处其功能可以借助稳定层9来实现。
b)在上覆盖层5顶部沉积非晶硅，接着把沉积的材料氧化为非晶二氧化硅，形成稳定层9。
c)把波导结构的上侧接合在适于加工的另一材料上，比如硅。
在图3中图示了改进衬底以生产对偏振不敏感的平面波导的例子，即晶片形式的带平面衬底1的光学装置的侧面图。
在衬底1上有一个盖住整个衬底1表面的下覆盖层3，在下覆盖层3上有一个截面为长方形的波导元件4，也称为波导芯或是芯。在整个装置上面有一个上覆盖层5。在波导芯4的正下方衬底1上有一个改进的区域7，这意味着衬底1自身不延伸到波导元件4的下面。此处存在但在图3中看不到的是整个装置在与图所在平面垂直的方向上的延伸。波导元件4和覆盖层3，5的邻接部分一起形成一个波导结构。该配置总的来说是个光学装置，叫做光学波导。覆盖层3，5用氧化物层。
所描述的装置是通过对波导结构下面的衬底1进行化学改进来降低应力的一个例子。对于化学改进，设想了对衬底1的氧化。产生的二氧化硅具有与波导相等的热膨胀系数，降低了衬底1与波导之间的热应力的形成。该改进方式适于消除由于高温时硅衬底1和氧化层3，5热膨胀系数不同这种由热产生的应力。由于在波导芯4中的应力据估计是由于氧化物层3，5与波导芯4之间的应力的一小部分，全部应力主要以由于衬底1和下覆盖层3的不同的热膨胀系数产生的应力为主，衬底1的改进或氧化可能不会完全消除由热产生的应力，但可以使之减小。
也可以在晶片的整个后表面上改进衬底1，或是只改进它的一部分，或是只改进到一定的深度，因此留下比如在波导结构下面一个薄的衬底层。
硅衬底的化学改进可以通过切除衬底1并在其中填上一种适宜的材料，优选的是二氧化硅，或是与二氧化硅和SiON的热膨胀系数接近的任何其他材料，但也可以是一种有预定热膨胀系数的材料，使产生的应力为所需值。衬底也可以通过氧化、化学处理、离子轰击、掺杂或任何其他改进方法直接改进。
下面说明了本发明的一个示范性实施例。
在图4中示意了一种带一个层成分的波导装置的截面。
在衬底1上有一个盖住整个衬底1表面的下覆盖层3，在下覆盖层3上有一个截面为长方形的波导元件4，也叫做波导芯或芯。在整个装置上面有一个上覆盖层5。在衬底1和下覆盖层3之间有一个中间缓冲层8。此处存在但图3中看不到的是整个装置在与图所在平面垂直方向上的延伸。波导元件4与覆盖层3，5的邻接部分一起形成一个波导结构。这个装置总体上是光学装置，叫做光学波导。覆盖层3，5在此用氧化物层。聚合物或其他材料也可在此使用。
层成分8作为SiO2基波导和硅基衬底1之间的低粘度玻璃缓冲层。缓冲层8用于从波导的衬底1上隔离波导应变。
在高温处理工序中，玻璃的粘度可以被明显地降低，因此热应力就减轻了。处理工序之后材料被冷却，玻璃的波导和硅衬底之间不同的热膨胀系数使得在波导中产生应力。这些应力在其底部附近的硅-二氧化硅界面水平地压缩波导、垂直地膨胀波导，而装置朝上表面松驰，在这个方向上无约束，如果粘度太高，退火和冷却时间太短使热应力充分张驰，就会形成应力。
粘度η近似遵循阿仑纽斯特性：
η＝η0e-Q/kBT，
Q是活化能。给定一个常数冷却率，在有效温度T*材料就会固定成最终的结构，T*取决于冷却率。如果高温加工工序所用退火温度高于T*，材料就会借助粘滞流调节热应力，并会基本上没有应力。
在冷处理跨越温度T*时，材料会变硬，而且会由于波导和衬底1中不同的热膨胀而在结构中产生应力。
残余的应力和双折射正比于(k{SiO2}-k{Si}(T*T0)，其中T0是装置的工作温度，k{SiO2}和k{Si}是硅酸盐和硅的各自热膨胀系数。在本例中，热膨胀系数的差为一个因子5。
此处应力是把波导用低粘度材料的缓冲层8从支撑结构上分离而减轻的，即使是在低退火温度时这种低粘度材料也能流动，缓冲层的粘度应该是兼顾装置在高温加工中需要的结构硬度和松驰应力所需的柔性。缓冲层8可以通过用硼、磷、碱或碱土金属材料掺杂来引入。用低温下“流动”的玻璃把实际的波导与衬底1分开，在与低粘度玻璃有关的温度T*，应力场就会减轻，此温度基本上比如果整个装置是SiO2和SiON做成的所需温度要低。温度T*估计为应变在15分钟内松驰的退火温度。退火温度定义为粘度达到1013.4P时的温度。对二氧化硅玻璃退火温度为1500K，作为软玻璃的一个例子，碱-铅玻璃(KG-1)的退火温度为700K。通过三次消除两种玻璃室温和退火温度之间的差别估计三次消除产生的热应力，这个数值可通过缓冲层材料的适当选择来进一步改变。
由于加入的缓冲层与实际波导的距离约为9μm，除了应力导致的光各向异性之外，光学性质不受影响。另一方面，缓冲层8是在应力最大的区域引入的，即玻璃-硅界面。
在芯片上光路中使用具有高折射率对比的SiON波导来得到与传统的基于掺Ge的SiO2波导技术相比更小的尺寸。基于SiON的方法允许使用更小的波导弯曲半径以及更小的组件，但受到更大的传播损耗和双折射，因为它耦合了具有不同的热膨胀系数的多个层，即光学波导和下方的衬底。
本发明的优点将允许像普遍需要的消除吸收损耗这样的高温加工工序不会引入有害的、与应力有关的双折射的影响。
所提出的措施和特征可以全部结合在一起，特别是使所做装置从性能上以及降低成本和支出方面更优化。

Claims (21)

1.一种光波导装置包括：一个衬底(1)，在衬底之上的下覆盖层(3)，在下覆盖层之上的上覆盖层(5)和在所述上下覆盖层(3，5)之间的具有预定宽度的波导元件(4)，其特征在于，通过在所述的衬底(1)和所述的下覆盖层(3)之间设置一个层成分(8)，降低了所述衬底(1)对所述光学波导装置中由应力所致双折射的影响。
2.根据权利要求1的光学波导装置，其特征在于，层成分(8)的粘度比所述的下覆盖层(3)的粘度低。
3.根据权利要求1或2的光学波导装置，其特征在于，层成分(8)包括：一部分所述衬底和/或下覆盖层(3)和/或沉积在所述衬底(1)和所述下覆盖层(3)之间的一个附加层。
4.根据权利要求1至3中任一项的光学波导装置，其特征在于，所述衬底(1)包括在所述导元件(4)下面的一个脊状突起元件(2)。
5.根据权利要求4的光学波导装置，其特征在于，脊状突起元件(2)具有一定宽度，其选定为使得不引起额外的传播损耗，优选为等于波导元件(4)的宽度加上上覆盖层(5)厚度的两倍。
6.根据权利要求4的光学波导装置，其特征在于，上覆盖层(5)在垂直脊状突起元件(2)的上表面方向比垂直于脊状突起元件(2)的侧壁方向上厚。
7.根据权利要求1至3中任一项的光学波导装置，其特征在于，从波导的截面上看，衬底(1)不延伸到所述波导元件(4)的下面。
8.根据权利要求7的光学波导装置，其特征在于，衬底(1)在波导元件(4)下面的区域被除去一部分。
9.根据权利要求8的光学波导装置，其特征在于，在衬底(1)被切除的区域中填了一种填充部分(7)，它的热膨胀系数至少等于波导元件(4)的热膨胀系数，或者具有一个热膨胀系数的预定值，以获得需要产生的机械装置应力。
10.根据权利要求7的光学波导装置，其特征在于，该光学波导装置是被机械稳定的，优选地是把它接合在稳定元件上和/或在其上沉积一个稳定层(9)。
11.根据权利要求1至3中任一项的光学波导装置，其特征在于，衬底(1)在波导元件(4)下面的区域中形成一个修改了的衬底区域(7)，其热膨胀系数至少等于所述波导元件(4)的热膨胀系数，或者具有一个热膨胀系数的预定值以获得需要产生的机械装置应力。
12.制造一种光学波导装置的方法，包括如下步骤：
-提供一个衬底(1)，
-沉积在衬底上一个下覆盖层(3)，在下覆盖层(3)上一个上覆盖层(5)，在所述的上下覆盖层(3，5)之间一个有预定宽度的波导元件(4)，
-在所述衬底(1)和所述下覆盖层(3)之间设置一个层成分(8)用来降低所述衬底(1)对所述光学波导装置由应力引起的双折射的影响。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，对于层成分(8)，材料应选择为具有的粘度比所述下覆盖层(3)的粘度低。
14.根据权利要求12或13的方法，其特征在于，层成分(8)通过化学修改衬底表面和/或下覆盖层(3)和/或沉积在所述衬底(1)和所述下覆盖层(3)之间的一个附加层而制成。
15.根据权利要求12至14中任一项的方法，其特征在于，所述衬底(1)的形成包含了所述波导元件(4)下面的脊状突起元件(2)。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，脊状突起元件(2)的宽度选择为使得不引起额外的传播损耗，优选为等于波导元件(4)的宽度加上上覆盖层(5)厚度的两倍。
17.根据权利要求15的方法，其特征在于，覆盖层(3，5)是以这样的沉积速率沉积的：在垂直于脊状突起元件(2)的上表面方向沉积速率较高，在垂直于脊状突起元件(2)侧壁的方向上沉积速率较低。
18.根据权利要求12至14中任一项的方法，其特征在于，衬底(1)在波导元件(4)下面的区域被除去一部分。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，在衬底(1)被切除的区域中填了一种填充部分(7)，它的热膨胀系数至少等于波导元件(4)的热膨胀系数，或者具有一个热膨胀系数的预定值，以获得需要产生的机械装置应力。
20.根据权利要求18的方法，其特征在于，该光学波导装置是被机械稳定的，优选地是把它接合在稳定元件上和/或在其上沉积一个稳定层(9)。
21.根据权利要求12至14中任一项的方法，其特征在于，衬底(1)在波导元件(4)下面的区域中形成一个修改了的衬底区域(7)，其热膨胀系数至少约等于所述波导元件(4)的热膨胀系数，或者具有一个热膨胀系数的预定值以获得需要产生的机械装置应力。
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