制作光纤光栅的相移掩模-双光束干涉曝光方法

时间：2025-03-09

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。

物理

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