制作光纤光栅的相移掩模-双光束干涉曝光方法

物理

第30卷第1期 光电工程 Vol.30, No.1 2003年2月 Opto-Electronic Engineering Feb, 2003 文章编号：1003-501X(2003)01-0005-03

制作光纤光栅的

相移掩模-双光束干涉曝光方法

冯伯儒1，张 锦1,2，宗德蓉1，蒋世磊1

（1. 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209;

2. 四川大学物理系，四川 成都 610064）

摘要: 介绍将无铬相移掩模技术和双光束干涉曝光技术用于制作纳米级图形光纤光栅的基本原 理和实验系统设计。提出一种用可移动反射镜使写入光束扫描固定在一起的相移掩模和光纤组合体制作光纤光栅的方法，既便于系统调整，增强曝光能量，又可方便制作高分辨力、长尺寸光纤光栅，无论是周期光栅，还是非周期光栅。

关键词：相移掩模; 双曝光技术; 光纤光栅; 干涉光刻

中图分类号：TN25 文献标识码：A

A Phase-Shifting Mask and Double-Laser Beam Interference Exposure

Method for Fabrication of Grating in Optic Fibers

FENG Bo-ru1, ZHANG Jin1,2, ZONG De-yong1, JIANG Shi-lei1

(1. State Key Laboratory of Optical Technologies for Microfabrication, Institute of

Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;

2. Department of Physics, Sichuan University, Chengdu 610054, China)

Abstract: The basic principle and experimental system design for applying chromeless phase-shifting mask technique and double laser beam interference exposure technique to fabrication nanon-patterns grating in fiber are introduced. A method for fabricating grating in optic fibers is introduced. The method uses a movable mirror to make a direct laser write beam scan across a combination arrangement of phase-shifting mask and optic fibers. It is convenient for system adjustment and intensifying exposure energy, and is convenient for fabricating high-resolution, large size grating (including periodic grating and aperiodic grating) in optic fiber as well.

Key words: Phase-shifting mask ; Two-beam exposure; Gratings in fibers; Interference lithography

引 言

相移掩模（PSM）技术在微光刻中已经得到比较广泛的研究[1]，近年来有的PSM已有一些应用。由于光束经Levenson交替PSM或无铬透明PSM衍射之后，在掩模图形的Fourier频谱中不存在±1级以外的其它衍射级（包括零级）光，根据这个原理，用其±1级衍射光束干涉产生的图形光场曝光具有较高灵敏度的光纤或涂在光纤芯上的抗蚀剂，就可以产生感生折射率变化的光纤光栅，或经过抗蚀剂曝光、显影和刻蚀工艺，得到有深度变化的结构光纤光栅。光纤光栅可广泛用于光纤通信中的滤波器、色散补偿器和光纤传感器等。在超窄带宽滤波器和色散补偿器中还需用长尺寸光栅。本文介绍一种采用无铬PSM和双光束干涉曝光产生光纤光栅的方法。

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6 光电工程 第30卷第1期 1 无铬相移掩模

无铬PSM[2]，一般采用激光或电子束直写和反应离子刻蚀方法在透紫外的石英基片上制作。其制作工序如下：

● 用激光或电子束在涂抗蚀剂的石英铬板上曝光图形；

● 显影去掉已曝光区域的抗蚀剂（正胶）；

● 腐蚀或用反应离子刻蚀（RIE）方法去掉露出的铬；

● 用RIE方法刻蚀石英基片到一定深度，或用真空镀膜方法镀上一定高度的SiO2层（这个深度或高

度足以和邻近未刻蚀的区域形成180º的奇数倍的相位差）；

● 去胶和腐蚀铬。

这样形成的图形基本上是一个矩形位相光栅，平行光垂直入射在该相移掩模上经衍射，在掩模后面的光场分布近似为正弦分布。从Fourier光学原理知道，这样的光场的Fourier谱中只存在±1级衍射波，其Fourier变换频谱为[3] EPSM(υ)=[δ(υ υ0/2)+δ(υ+υ0/2)]/2 （1） 式中 υ0——掩模图形的空间频率。

PSM的刻蚀深度或镀膜层高度dps为 dPS=λ/2(nPS 1) (2m+1) （2） 式中 nPS—相移层材料折射率，m=0，±1， ±2，…

2 双光束干涉

在全息光栅制作中，大多采用双光束干涉曝光方法，图1示出双光束干涉曝光原理。两束平面波分别以θ1和θ2角入射在记录介质层基片上，则在记录平面内产生的垂直于X轴的光栅的光强分布为[4]

I(x)=2I0[1+coskx(sinθ1+sinθ2)]

=2I0[1+cos(2πx(sinθ1+sinθ2)/λ)]

=2I0[1+cos(2πx/d)]

(3)式中 d=λ/(sinθ1+sinθ2) （4）

为产生的光栅周期；λ为曝光波长；I0为每束平面波的强度。

若θ1=θ2=θ，则式（4）变为 d=λ/2sinθ

当θ=90o时， d=λ/2，对于等线/间光栅，

则线宽尺寸GD=λ/4。

这就是双光束曝光所能得到的最小特征尺寸，表1示出一些计算的值。 图1 双激光束干涉曝光原理示意图 Fig. 1 Sketch for interference

exposure principle with two laser

beams 3 光纤光栅的双光束曝光制作方法

相移掩模产生的±1级衍射光束干涉产生的正弦图形用于曝光光纤产生光纤光栅的示意装置示于图2。 光纤光栅的产生方式可以采用在光纤芯上写上光栅图形,经显影、刻蚀产生齿状结构的光纤光栅。另一种方式采用较多，即是用光栅图形曝光光纤使纤芯产生感生折

射率变化，形成位相光栅。为了提高感光灵敏度，可将锗化物

光纤放在高压氢气环境中，使其“载氢”[5，6]表1双光束干涉曝光产生的最小特征尺寸Table 1 Minimum CDs produced by interference

exposure with two laser beams

Wavelength / nm

CD/ nm442 365 248 193 157 ，或用对光纤芯更加敏感的曝光波长，或采用透镜使光束聚焦，增强曝光激光能量密度。至于制作光纤光栅的具体方法，则是多种多样的[7]。

如图2所示，由深紫外激光器（KrF准分子脉冲激光248nmθ =60°θ =90°波长，或四倍频Na：YAG连续激光266nm波长，或其它）发出的激光经专门设计的光束均匀器使其均匀化并准直成平行光之后，被柱面透镜聚焦准直成平行线光束，由反射镜M1和M2偏折到PSM上，辐照透紫外石英PSM，经PSM衍射产生的±1级衍射光干涉形成正弦空间图形，用此图形曝光紧贴于PSM的光纤，使纤芯产生周期性折射率变化，在光纤中形成光栅。曝光过程用光纤输入探测光，探测光经光纤光栅

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2003年2月 冯伯儒 等：制作光纤光栅的相移掩模-双光束干涉曝光方法 7反射回来，由耦合器耦合到光谱仪，可以测得反射光的大小及其与波长的关系。可以边曝光边监视反射率进行控制。

在光栅写入过程中，M2沿垂直方向移动，使激光束从上到下扫描PSM，达到长尺寸光纤光栅写入目的，原则上光栅尺寸只受M2移动范围和掩模尺寸的限制。只要曝光过程中PSM和光纤彼此无相对移动，则在光纤芯中产生的条纹的位相仍然由掩模确定。不管光束位置如何，要保持光束角度不变。而且可以在光纤后面用紫外光二极管测量紫外光功率，以监视和调整光束移动过程中写入光束在光纤芯上的位置，并锁定到其最佳值，保证沿光纤均匀照明。图2中柱面透镜Z1和Z2使从M来的准直光束变成窄的线光束，目的在于提高功率密度以及较易保持掩模照明光的波前

不变，因为线光束为平行光。减少曝光时间和曝光时系

统尽可能放在减振光学平台上，以减少环境因素的影响。

假如激光功率足够大，则可用具一定宽度线光束照

明掩模一次完成曝光，无需光束的移动，因为光纤芯本

身直径小。图2的特点在于可用较小功率激光写出长尺

寸光纤光栅，此外，沿光栅可以调整写入强度，从而调

整光栅强度，改变光栅特性参数。 图

2 用PSM干涉方法制作光纤光栅示意图

（L—激光器；B—光束均匀准直器；M，

M1—固定反射镜，M2—可移动反射镜；Z1，Z2—柱面透镜；

P—相移掩模；F—光纤；C—纤芯）

Fig. 2 Sketch for fabricating grating in optic fibers

with phase-shifting mask interference

L—Laser; B—Beam collimator; M, M1—Fixed mirror;

M2—Removable mirror; Z1,Z2—Cylindrical lens;

P—Phase-shifting mask; F—Optic fibers; C—Fiber core 结束语 当采用垂直于掩模的写入光束时，产生的±1级衍射光束干涉曝光产生的光纤光栅的周期仅为PSM图形周期之半[8]，故可用较大周期图形PSM制作较小周期的

高分辨力光纤光栅。

用上述方法，采用无啁啾掩模以及干涉图形稳定在光纤芯上，应当能够写出长尺寸无啁啾光栅。此外，在像色散补偿之类应用中，需要线性啁啾光栅也可以用这种方法制作线性调频啁啾光栅，或任何变周期（变频）光纤光栅，但需用线性啁啾相移掩模或其它与光栅相应的相移掩模。

光纤光栅在光学传感、光学检测和光通信等领域有广泛的应用，如各种光纤传感器、密集波分复用器以及超窄带滤波和色散补偿等。

参考文献:

[1] Levenson M D，Viswanathan N S，Simpson R A. Improving Resolution in photolithography With a phase-shifting Mask[J].

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[2] 冯伯儒，陈宝钦. 无铬相移掩模光刻技术[J]. 光子学报，1996, 25(4)：328-332.

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[4] 张 锦、冯伯儒、郭永康, 等. 用于大面积周期性图形制造的激光干涉光刻[J].，光电工程，2001，28（6）：20-23.

[5] Sugden K，Bennion I, Moloug A, et al. Chirped gratings produced in photosensitive optical fibres by fibre deformation during

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[6] Martin J, Ouellette F. Novel Writing technigue of long and highly reflective in fibre gratings [J]. Electr. Lett, 1994, 30(10):

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[8] 贾宏志、李育林，忽满利. 相位掩模的近场衍射特性分析[J]. 光子学报，2000，29（2）：1100-1102.