SOI光波導(dǎo)器件及其增透膜的研究.pdf

1、由于其特殊的結(jié)構(gòu)，SOI(Silicon-on-insulator)材料具有優(yōu)良的光學(xué)和電學(xué)性能，為超大規(guī)模集成電路(VLSI:VeryLargeScaleIntegration)和平面波導(dǎo)技術(shù)提供了一個(gè)共同的平臺(tái)。SOI光波導(dǎo)制作工藝與成熟的硅基CMOS工藝相兼容，SOI材料不僅可以制備無(wú)源和有源光電子器件，而且還可以和MEMS器件集成。SOI材料上的光電器件的單片集成是光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。本論文對(duì)SOI大截面脊形波導(dǎo)器件及其相關(guān)的

2、增透膜進(jìn)行了研究。 為減少SOI波導(dǎo)端面菲涅耳反射損耗，尋找合適的增透膜，分別采用PECVD方法制備了SiNxOy：H薄膜、IBAD方法制備了氮氧化硅薄膜和電子束蒸發(fā)的方法制備了HfO2薄膜。通過(guò)橢圓偏振儀、X-ray光電子能譜、分光計(jì)等設(shè)備，對(duì)制備薄膜的光學(xué)性能、成分進(jìn)行了表征。相關(guān)的光學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明這三種薄膜都是適合硅基光器件的良好的單層增透膜。其中，在光通信窗口1550nm處，通過(guò)鍍厚度為185nm的HfO2單層薄膜，雙面

3、拋光硅片的菲涅耳損耗降至0.022dB。對(duì)于SOI脊形波導(dǎo)器件，從工藝的實(shí)際實(shí)現(xiàn)條件上，PECVD方法制備SiNxOy：H薄膜受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，不適用波導(dǎo)的端面鍍膜；IBAD方法制備氮氧化硅薄膜對(duì)于拋光后的SOI端面沉積薄膜不受影響，但是對(duì)于集成的波導(dǎo)器件，沉積過(guò)程受到限制；電子束蒸發(fā)的方法制備HfO2薄膜由于其特殊的沉積方式，只要有特殊的夾具夾持波導(dǎo)器件，使波導(dǎo)端面垂直于蒸發(fā)方向，即可獲得高度均勻的HfO2薄膜，對(duì)于集成的波導(dǎo)器件依

4、然可行，這是一種方便簡(jiǎn)易的鍍膜方法。 根據(jù)SOI脊形波導(dǎo)單模理論，采用電感耦合反應(yīng)離子刻蝕制備了高垂直度的SOI脊形波導(dǎo)。為了更好的和光纖耦合，摸索了集成光波導(dǎo)器件的制備工藝。通過(guò)對(duì)V型槽、U型槽陣列和波導(dǎo)集成的研究，進(jìn)一步優(yōu)化了集成SOI波導(dǎo)器件的制備工藝。 采用U型槽陣列制備了集成的光波導(dǎo)器件，成功地實(shí)現(xiàn)了在集成波導(dǎo)端面的沉積HfO2增透膜。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于集成的Y分支和T分支器件進(jìn)行了研究，對(duì)于這些基本器件的研究為

5、后續(xù)工作的開(kāi)展打下了一定的基礎(chǔ)。對(duì)這些集成器件的光學(xué)性能基本測(cè)試表明，這些器件工作良好。由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，只能對(duì)波導(dǎo)器件進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的插入損耗測(cè)試，獲得的Y分支器件平均插入損耗為4.4dB，T分支器件兩個(gè)分支的損耗分別為5.0dB和5.2dB，分光比為52:48。 分析了應(yīng)用于SOI側(cè)壁散射損耗的通用的公式，并結(jié)合實(shí)際情況，把這些公式應(yīng)用到目前的研究上面去。具體采用Tien的理論公式計(jì)算和分析了SOI脊形波導(dǎo)側(cè)壁表面和上下表面

6、造成的散射損耗。 采用原子力顯微鏡直接測(cè)試了SOI脊形波導(dǎo)端面和側(cè)壁的表面形貌，并對(duì)不同方法獲得的端面以及沉積增透膜后的端面進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)獲得的表面均方根粗糙度估計(jì)了端面損耗。通過(guò)側(cè)壁表面的粗糙度估計(jì)了相應(yīng)的散射損耗，并比較了模版質(zhì)量對(duì)側(cè)壁粗糙度的影響。采用原子力顯微鏡直接測(cè)量了轉(zhuǎn)彎微鏡的表面形貌，并估計(jì)了相關(guān)的散射損耗。 通過(guò)氫氣退火、真空退火、ICPRIE單步刻蝕工藝和氧化清洗工藝一系列的方法，探索研究了降低側(cè)壁和