（光学工程专业论文）基于硅纳米线波导的平面集成光器件的设计制作与检测.pdf

浙江大学博士论文 摘要 在众多的光通信器件中，基于平面光集成( p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 工艺 的光器件由于其具有低成本，适合大规模制造等方面的优势，在近年来已经逐渐 脱颖而出，成为构建未来光网络不可或缺的重要组成部分。而在各种材料中，硅 绝缘体( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 集成器件具有高折射率差，高集成度等众多优点， 是当前研究的一个热点。本文主要针对基于硅纳米波导平台的几种光集成器件进 行了研究，提出一些新的设计或改进，并对部分设计完成了试验制作以及光学性 能检测。 本文介绍了几种数值模拟方法，包括：标量衍射法( s c a l a ri n t e g r a t i o n m e t h o d ) ，束传播法( b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ) ，时域有限差分法( f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e d o m a i nm e t h o d ) ，并将它们应用于各种光器件的设计当中。对于一些特殊 情况，比如器件尺寸较大，同时需要分析器件的双向性能( 比如反射特性) ，本 文提出一种近似方法，将束传播法和时域有限差分法相结合，仪对其中存在反射 界面的局部区域使用时域有限差分法，计算出相应的透射及反射场分布，然后再 将这些光场分别作为正向和反向传播光场的源，利用束传播办法计算透射波及反 射波在器件其他区域中的传播特性。该方法避免了直接对大尺寸器件进行f d t d 模拟，大大降低了内存需要及运算时间，是一种有效的近似方法。 本文阐述了器件制作中的各个相关工序。本文使用了由等离子体增强化学气 相沉积( p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 方法沉积的非晶硅 ( a m o r p h o u ss i l i c o n ) 及二氧化硅构成的s o i 平台，来代替通常商用的s o i 硅片。 该办法的优点在于能灵活选择参数如各层薄膜厚度、折射率等，方便器件的设计 与优化。缺点是非晶硅比单晶硅( c r y s t a l l i n es i l i c o n ) 具有更大的损耗。我们沉 积的非晶硅经过测量，其材料损耗最好情况约为1 5 d b c m ，完全可以接受。器件 图案的形成使用了电子束曝光( e l e c t r o n i cb e a ml i t h o g r a p h y ) 来代替传统的光刻， 以达到更高的分辨率( 一1 0 0 纳米) 。刻蚀方法采用电感耦合等离子体一反应离 子刻蚀( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a r e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 工艺，以获得较好的方 向性和分辨率。 器件的光学性能测试采用了两种方法：端面耦合法( e n d f i r em e t h o d ) 和垂 直耦合法( v e r t i c a lc o u p l i n gm e t h o d ) 。垂直耦合法是在输入波导和输出波导表 面上利用套刻的办法，做上一系列浅刻蚀光栅，然后将光线从垂直方向上进行耦 合。该方法比端面耦合法具有较高的耦合效率，但是并不适合于器件的最后封装。 本文首先对基于硅纳米波导平台的蚀刻衍射光栅波分复用器( e t c h e d d i f f r a c t i o ng r a t i n gm u l t i d e m u l t i p l e x e r ) 进行了一系列的研究。设计并制作了基 于全内反射( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ) 齿面的e d g ，测量结果显示，与相同器件 参数但未采用t i r 齿面设计的e d g 相比，衍射效率增加超过3 d b 。本文提出了一 种基于交叉衍射级次( c r o s s o r d e r ) 的e d g ，仅用单一的e d g 实现了对1 3 l o 纳米、 1 4 9 0 纳米及1 5 5 0 纳米三个信道的单纤三向器件( t r i p l e x e r ) ，并进行了制作和检 测，该器件可以应用于无源全光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ) 的接入网方案 中，用以实现三网合一服务( t r i p l ep l a ys e r v i c e ) 。文中还对硅纳米波导e d g 的 偏振特性进行了分析，讨论了两种偏振补偿的办法。 本文也在硅纳米波导平台上制作了一种基于柱状光子晶体的谐振腔结构。该 谐振腔的理论品质因素( ov a l u e ) 在1 0 4 量级，实际测得最高的q 值在2 0 0 0 0 以& 。 该结构由于是基于柱状而非孔状光子晶体，更适合于传感方面的应用，并且测量 浙江大学博十论文 显示这种谐振腔的峰值波长对光子晶体半径及背景介质折射率极为敏感，具有很 高的灵敏度。 关键词：平面光集成器件，硅纳米波导，束传播法，时域有限差分法，蚀刻衍射 光栅，光子晶体 2 浙江大学博士论文 a b s t r a c t o p t i c a ld e v i c e sb a s e do np l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) t e c h n o l o g yh a v ew e l l b e e ns t u d i e dd u et ot h e i ri n h e f i t e da d v a n t a g e sf r o mi n t e g r a t e dc i r c u i t so c ) s u c ha s ： s m a l l s i z e h i g hr e l i a b i l i t y m a s sp r o d u c t i o n a n dp o t e n t i a l i n t e g r a t i o n w i t h m i c r o e l e c t r o n i c s a m o n ga l lt h em a t e r i a l s s i l i c o nn a n o w i r ep l a t f o r i l lg a i n sm o r ea n d m o r ei n t e r e s t s t h el a r g er e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n c eb e t w e e nc o r ea n dc l a d d i n ga l l o w s t r e m e n d o u sr e d u c t i o no ft h ec o m p o n e n ts i z e t h i st h e s i ss t u d i e st h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l ys o m ei n t e g r a t e do p t i c a ld e v i c e sb a s e do ns i l i c o nn a n o p h o t o n i c p l a t f o r m ，i n c l u d i n ge c h e l l eg r a t i n gd e m u l t i p l e x e r sa n dp h o t o n i cc r y s t a l s s o m eo ft h en u m e r i c a im e t h o d sa r ei n t r o d u c e df i r s t s c a l a ri n t e g r a ld i f f r a c t i o n m e t h o di se f l f i c i e n tf o rc a l c u l a t i n gt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fg r a t i n g s b c a m p r o p a g a t i o nm e t h o da n df i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i nm e t h o da r ea l s oi n t r o d u c e d f o r s i m u l a t i n gt h el i g h tp r o p a g a t i o na l o n gt h ed e v i c e s ac o m b i n e dm e t h o db a s e do n b p ma n df d t dm e t h o di si n t r o d u c e d w h i c hc a ns a v et h em e m o r ya n dt i m ef o r s i m u l a t i o nt oal a r g ee x t e n t t h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d sa r ed e s c r i b e d t h e f a b r i c a t i o ns t e p si n v o l v e ：p l a s m aa s s i s t e df i l md e p o s i t i o n e b e a ml i t h o g r a p h y r i e e t c h i n g a l lt h e s es t e p s a r ep r o c e e d e du n d e rc l e a n r o o me n v i r o n m e n t t h e c h a r a c t e r i z a t i o ni sm a i n l yb a s e do nt w om e t h o d s ：e n d f i r ec o u p l i n ga n dv e r t i c a l g r a t i n gc o u p l i n g t h eg r a t i n gc o u p l e r i sm o r ee f f i c i e n t c o m p a r e dw i t h t h e b u t t c o u p l i n gb e t w e e nf i b e ra n dn a n o w i r e s b u ti sw o r s es o l u t i o nf o rf i n a ip a c k a g i n g s e v e r a lt y p e so fc o m p o n e n t sh a v eb e e nr e a l i z e da n dc h a r a c t e r i z e dw i t ht h ea b o v e t e c h n o l o g y t h ee c h e l l eg r a t i n gd e m u l t i p l e x e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nw d m n e t w o r k s am e t h o df o ri n c r e a s i n gt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yb a s e do nt o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o ni sa p p l i e d w h i c hi n c r e a s e st h ee 币c i e n c yb ym o r et h a n3 d b ac r o s s o r d e r e c h e l l eg r a t i n g b a s e dt r i p l e x e r , ab i d i r e c t i o n a lt r a n s c e i v e rf o ra p p l i c a t i o ni nt h e p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s 伊o n ) ，h a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d 。w h i c hc a n m u l t i d e m u l t i p l e xt h r e ec h a n n e l sl o c a t e da t13lo n m 14 9 0 n ma n d15 5 0 n m p h o t o n i c c r y s t a ld e v i c e sa r ea l s oa d d r e s s e di nt h et h e s i s as i l i c o np i l l a rt y p ep h o t o n i cc r y s t a l c a v i t yh a sb e e nf a b r i c a t e dw i t ht h em e a s u r e dqv a l u ea sh i g ha sa b o u t2 5xl0 。i t c a nb eu s e df o rs o m eb i o s e n s i n ga p p l i c a t i o n sa n dh a sa ne x t r e m e l yh i g hs e n s i t i v i t y f o r t h ec h a n g i n go ft h eb a c k g r o u n dm a t e r i a l k e yw o r d s ：p l a n a ri n t e g r a t e dc i r c u i t , s i l i c o nn a n o w i r e ，b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ， f i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ，e c h e l l eg r a t i n gd e m u l t i p l e x e r , p h o t o n i cc r y s t a l ，s u r f a c e p l a s m o np o l a r i t o n 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 7 年奴月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将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、汇编学位论文。 签字日期：奄7 年fl 月7 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：槲范聃靛戳1 ； 通讯地址： 何舞炎i j ；? t 。一：一o ： ： ， 腓从月7 日 电话： 邮编 浙江大学博士论文 致谢 几年的求学生涯转瞬即逝，回想其中的艰辛与收获，有苦亦有乐。在此，对 所有帮助过我、给予我支持的师长、同学、朋友以及家人致以衷心的感谢。 首先要感谢我的导师何赛灵教授。何老师严谨治学、认真工作的态度，对科 研及教育事业的奉献精神是值得我学习一生的榜样。何老师不仅在学习上给予我 许多指导，还十分关心我的生活，帮助我顺利完成学业。 十分感谢来自瑞典皇家工学院的l a r st h y l e n 教授，他和何老师提供给我一 个前往瑞典学习交流的机会，让我在科研生涯以及生活积累上获益匪浅。感谢皇 家工学院的l e c hw o s i n s k i 博士，在我留学在瑞期间给予我热心的帮助和指导， 让我轻松的应对各种学习及生活事务。 特别感谢宋军博士，在我的博士学习期间始终提供我许多帮助和建议，进行 各种学术l 的讨论，为我树立了一个如何做好科研工作的榜样。 感谢戴道锌博士和盛钟延博士对我的帮助和指导，感谢刘柳博士传授给我各 种实验设备的操作技巧，感谢时尧成博士经常与我进行讨论，感谢邵理阳博士等 与我一起在学习中共勉，感谢p l c 组所有同学的热情帮助与合作。感谢光及电 磁波中心其他老师和同学，共同创造了一个既具备良好的学习与科研氛围，又丰 富多彩不失乐趣的环境。 感谢光电系的各位老师，他们不仅传授给我各方面的知识，也是我学习做人 的榜样，向我展示了做为优秀的科研和教育工作者所应当具备的品质。 感谢瑞典皇家工学院信息通信学院微电子与应用物理系光电子和微波工程 组的各位老师和同学，他们在我留瑞期间提供了热情的帮助。也感谢在瑞典k i s t a 的所有朋友们，让我度过了愉快的三年。 最后，我要感谢我的父母，是他们无条件的支持，对我一贯的关爱，才使我 得以取得今天的成绩，希望我的努力能报答他们辛劳付出之万一。 朱凝 2 0 0 9 年4 月7 日 浙江大学博士论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 硅纳米光集成器件的背景与现状 自从1 9 5 0 年开始，以信息和通信科技的飞速发展为标志的第三次“工业革 命”正在不断的给人们的日常生活带来翻天覆地的变化。这场- t 业革命从9 0 年 代之后，通常被人们称为“信息时代”，互联网络也正是诞生于此时。随着全球 通信业务数据量的迅速增长，对网络带宽的需求也不断提高。在主干网上传统的 以铜为材料的同轴电缆线已经逐渐被以氧化硅为材料的光纤所取代。与之对应 的，光信号的产生，调制，开关，路由，传输，滤波，衰减以及检测等种种功能， 都必须由相应的光通信器件或设备来实现。光纤通信技术即是研究整个光信号从 产生到传输，再到接收等整个通信过程，对具体器件、系统及网络架构等不同层 次进行探索的一门新兴学科。 全光网络【1 1 是光纤通信技术发展的未来蓝图。所谓全光网络，指的是信号 仅以光的形式存在于整个网络，从产生，传输到再生和路由等，不需经过任何中 间过程的光电转换，从而实现对传输信号的完全透明。这种网络机制的好处在于 由于不需要转换为电信号，故而整个传输系统具有很大的容量和极高的信息处理 速度，延迟小，并且易于维护，成本也可以大大降低。 在不改变现有网络基本架构的基础上，如何尽可能的加大带宽，增加数据传 输容量，是众多科研人员一直在不断探索的问题。时分复用( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 曾经是上个世纪被普遍应用的技术，但在系统速度不断提示的过 程中( 例如1 0 g b i t s ) ，t d m 技术已经遇到了它的瓶颈，于是人们开始把注意力 转向另一种更具潜力和优势的技术：波分复用( w 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 ) f 2 1 。w d m 技术是指将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经过复用器 ( 或称合波器，m u l t i p l e x e r ) 汇合在一起，并耦合到光线路中的同一根光纤中进 行传输的技术：在接收端，混合信号再经过解复用器( 或称分波器，d e m u l t i p l e x e r ) 将各种波长的光载波分离，然后由光接收机进一步处理恢复原信号。图1 1 展示 了这种d w m 技术的基本原理。 囝m 一一时* 蜊 加蛳 图1 1w d m 技术原理示意 9 新 博十论i 这种技术能够在不铺设新的光纤的基础上大大增加传输信号的容量，它的主 要优势可以归结为以下几点： ( 1 ) 传输容量大，可节约光纤资源。对单波长光纤系统来说，收发一个信 号需要使用一对光纤，而对于w d m 系统不管有多少信道，只要在该波分复用 的窗口内，全部都可以在这一对光纤中传输。 ( 2 ) 对各类业务信号“透明”可以传输不同类型的信号，如数字信号或模 拟信号，并能对其进行合成和分解。 ( 3 ) 网络扩容十分方便不需要敷设新的光纤，只需要换终端和增加一个 附加波长就可咀引入任何一项新业务或扩充容量。 ( 4 ) 组建动态可重构光网络，在阿络节点使用光分插复用器( o a d m ) 或 者使用光交叉连接设备( o x c ) ，可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存 性的全此网络。 w d m 一般可细分为c w d m ( 稀疏波分复用) 和d w d m ( 密集波分复用) 。 c w d m 的信道问隔为2 0 r i m ，而d w d m 的信道间隔一般在o2 r i m 到l2 r i m 之问。 相比较而言，d w d m 具有更密集的信道分布能在同一根光纤中传输更多的信 号，因而更加适合未来高速大容量光网络的应用，更具备发展前景。 未来全光嘲络发展的趋势，也对阿络中各种器件提出了更高的要求。总的来 说，d w d m 技术要求光器件具备太通道数量、高集成度、低损耗、高稳定性、 低成本等特点。传统的光通信器件，比如薄膜滤波器型，光纤熔融拉锥型等，虽 然在通道数目很小的时候，具有损耗小，带宽大，偏振不敏感等优点，但是当通 道数量上升的时候，这些分立型器件的插损将会大大提高，封装难度增大，成本 也会直线上升因而这些器件并不能很好的适应未来光网络的潜在需求。相比之 下，上世纪7 0 年代发展起来的光集成技术，具有更好的大规模集成优势。所谓 光集成，是源于半导体集成电路工艺，将众多功能不同的光器件集成在同一衬底 上而形成的集成光路1 3 】。集成光电子器件继承了集成电路的众多优势，它成本 低、体积小、使用方便、性能稳定。并且十分适用于大规模批量生产。虽然在很 长一段时间内集成器件还无法完全取代分离器件，二者将继续并存互补，但是 集成化必将是未来的发展趋势。 光集成器件的制作工艺主要包括薄膜生长、光刻以及刻蚀。这些工艺过程大 多来源于各种半导体加工技术。比如薄膜生长通常可以采用气相沉积、电子束蒸 发、真空溅射、外延生长、离于注入、高分子聚合等方法，光刻则一般采用接触 式曝光、电子束曝光等，刻蚀包括化学湿法刻蚀和等离子干法刻蚀等手段。利用 这些工艺，目前人们已经研制出诸如耦合器、光开关、滤渡器、调制器等具有各 种功能的集成光器件，如图1 2 所示。 k 习 ( 研 图l2 一些集成光器件：( a ) 阵列波导光栅波分复用器，( b ) i n 分柬器 浙江大学博士论文 不断缩小器件尺寸，提高集成度，是光集成器件的一个重要发展趋势。在集 成电路发展史上，戈登- 摩尔早在1 9 6 5 年就提出了著名的摩尔定律：集成电路 芯片上的晶体管数目每约过l8 个月就会翻倍。相比于1 c 工业，平面光路 ( p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 也遵循着类似的规律。如图1 3 所示，研究人员 已经发现，单位面积中的平面集成光器件中的等效元件数量，在以更快的速 度增长：约每1 2 个月就加倍4 1 。 1 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 y 酌瞪 图1 3p l c 器件集成度发展趋势 图中等效元件的数量是用这样一种近似的方法计算的：将一个1 2 的耦合 器看成一个基本单位，元件个数做为l 。那么一个马赫曾德尔干涉仪 ( m a t h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ) 可以看作是两个这样的耦合器组成。而一个m n 2 中间包含条阵列波导的a w g 则可由以下公式( 1 1 ) 计算其等效元件数 目： 。= n 1 22 ”+ 2 22 ” ( 1 1 ) - = oi = o 当今集成电路的集成度已经可以达到每平方厘米的芯片上容纳几千万个晶体管。 而相形之下，集成光器件的集成度还远远不足。与电子器件相比，光器件的尺寸 受到衍射极限的制约。我们都知道，传播光束必须限制在具有与它的波长量级相 似尺寸的波导中f 5 1 。在介质中，光的波长等于真空中的波长除以介质的折射率。 于是，提高介质的折射率，就成为最直观的缩小光器件尺寸从而提高集成度的办 法。 当前平面集成光器件的构成材料基底，主要有l i n b o ， 6 1 ，i n p 7 ，s o s ( s i l i c a o ns i l i c o n ) 【8 】，s o l l 9 1 0 】，p o l y m e r 1l 】等几种。它们各有各自的优缺点和适用 场合，表1 1 列出了各种基底材料的一些特性。 材料 芯层折射率优点缺点 l i n b 0 3 2 3具有大的电光系数和损耗比较大 良好的非线性效应，适 合高速调制 o 5 0 5 o 5 一 l l 2 2 一 一 一 一 一：暴mo。一。，舡；嗡嗡。一n 浙江大学博士论文 i n p 3 2 直接带隙半导体，适合价格高昂，工艺比较 做光源材料，高速调复杂 制，光开关 s i l i c a1 4 5损耗小，与光纤耦合方限制较弱，尺寸较大， 便只适合无源器件 s o i3 5 高折射率差，器件尺寸间接带隙半导体，缺 小，集成度高，与乏电光效应 c o m s 工艺兼容 p o l y m e r 1 5 工艺简单，成本低，具稳定性差，容易老化 有很好的热光及电光 效应 表1 1 各种p l c 衬底材料特性 纵观以上几种材料，由于它们各有所长而又存在不足之处，故通常按照各自 的特性被应用于各种不同领域。比如l i n b 0 3 用于各种高速调制器，i n p 用于各 种有源器件，s i l i c a 多用于无源器件等。而硅基绝缘材料是近些年来逐渐开始吸 引人们的一种较新的材料。硅，是自然界里含量第二的元素，仅次于氧，极其丰 富并且比较廉价。并且硅在通信常用的波段( 1 - 3 m 和1 5 肛m 附近) 是透明的， 具有很小的损耗。同时在这一波段硅的折射率在3 5 左右，已经大大高于氧化硅 等材料，而且它与衬底和上包层的折射率差也非常大( 3 5 1 4 5 或l ，而i n p 基 底的折射率虽然与硅相近，但芯层与包层折射率差却不大) 。因而硅基材料相对 于其他材料，具有天生的尺寸优势，能够大大减小器件体积，提高集成度。更重 要的是，由于整个半导体集成电路工艺都是建立在硅基底之上的，并且已经投入 了无数的人力和物力，形成了非常成熟的工艺条件，所以基于硅基绝缘体材料的 光集成器件必将能从现有的半导体工艺中获益匪浅，大大缩短了一种工艺走向成 熟所需要经历的曲折道路。硅材料的主要缺点在于硅是一种间接带隙的半导体， 没有自发辐射，因而不适合于做为发光材料，同时硅也缺乏各种电光效应，不利 于对光信号进行调制，人们曾一度将目光转向其他材料以寻求解决办法。但是近 年来，人们在硅材料的发光及调制上也取得了一些新进展。例如，利用硅的受激 喇曼散射( s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ) 效应实现基于硅材料的发光n 2 1 ，以及 利用载流子注入( c a r r i e ri n j e c t i o n ) 的方式来实现对光信号的调制1 3 1 。此外， 利用硅与其他有源材料如i n p 等的混合集成( h y b r i di n t e g r a t i o n ) 也可以用来解 决硅的这一缺陷。 不仅在纯粹的光器件中，硅基绝缘体材料有着很大的发展前景，即便对于电 子电路器件的进一步发展，硅基集成光路也可能发挥重大作用。当前，随着集成 电路尺寸不断缩小，芯片对信息的处理速度不断提高，制约这一速度的瓶颈已经 从单个处理单元的处理速度转向不同单元之间的通信速度。集成电路中各个元件 之间的互联是采用金属接点的，随着尺寸的不断减小，这些连接点的电阻和电感 都会增大，从而带来更大的传输延迟和引起更多的发热效应。于是，光互联越来 越引起科研人员的兴趣1 4 1 。与传统的电互联相比，光互联具有更大的带宽、更 小的损耗、更低的延迟、更小的窜扰以及更好的电磁干扰抵抗能力。因而，将光 器件与微电子器件集成于一种基底，同时结合了微电子器件的信息处理能力与光 子器件的数据传输能力，将是微电子领域未来发展所要面对的一个重大可能性。 1 2 浙江大学博士论文 不仅将光子器件“硅化”是光器件发展所面对的一个挑战，将硅基电路“光子化 也同样可能是微电子工艺发展所需要解决的一个问题。总的说来，硅基绝缘材料 由于特定的历史原因，是未来微电子与光子器件可以共享的同一平台，在这一平 台上集成具有包括光源的产生、调制、传输、放大和检测等诸多功能的各种器件， 是当前光器件研究道路上的一个十分有意义和吸引力的目标。这也正是本论文采 取基于硅基材料的光集成器件做为研究对象的主要原因。 基于硅基绝缘体材料的集成光器件一般采用两种波导结构，即脊型波导结构 和条形波导结构，如图1 4 所示。相比于脊型波导，条形波导由于各个方向上对 光场的限制都非常强，因而可以实现更小的弯曲半径，更加紧凑的器件结构。它 的主要缺点是对偏振十分敏感，两种偏振态的光在器件中通常表现差异很大。单 模条形波导一般的典型尺寸，宽度和高度都在2 0 0 纳米- - 5 0 0 纳米之间，所以也 被称作硅纳米线波导。本文后面所涉及的大多硅基集成光器件，都是基于这种波 导结构，从而能得到紧凑的器件尺寸。 i s i 圈s i 0 2 图1 4 两种硅基波导结构，( a ) 脊型波导，( b ) 条形波导 本文主要研究光通信领域基于硅基绝缘体材料的无源器件，对几种不同的无 源器件的设计，理论模拟，试验制作及光学性能的测试进行了一系列的分析和讨 论。首先涉及的器件是蚀刻衍射光栅( e t c h e dd i f f r a c t i o ng r a t i n g ) 波分复用器。 前面提到，w d m 技术是未来全光网络建设的一项核心技术。而w d m 技术 需要把多种波长复用或分解，因而波分复用器件又是w d m 技术的关键器件。现 在常见的波分复用器件主要有以下几种类型： ( 1 ) 介质膜滤波器型。这类器件通常插入损耗较小，温度稳定性好，信道 带宽大，偏振相关性较小。缺点是只适用于通道数较少的情况，当通道增多时， 插入损耗递增，封装难度大，成本上升快。 ( 2 ) 光纤布拉格光栅型。光栅设计及制作技术成熟，生产成本低。反射率 相当高，带内频谱响应平坦，带外抑制比很高，中心波长及带宽可任意选择，灵 活性好。缺点主要有机械及温度稳定性差，中心波长容易漂移，反向反射高，插 入损耗随通道数增加而递增。 ( 3 ) 级联马赫曾德尔光纤型。插入损耗低，偏振相关损耗较低，与光纤耦 合容易。缺点是温度稳定性较差，并且随着通道数目的增加，器件尺寸较大，结 构复杂。 ( 4 ) 集成波导器件型，比如a w g 或e d g ，见图1 5 。通道数目可以做的 很大，通道均匀性好，便于和其他器件集成，适合于大规模生产。但是温度稳定 性较差。一 * 扛大# 博t * i i ；【上分析可以看出。对于潜在通道数巨大( 几十甚至上百个) 的d w d m 系 统，集成波导型波分复用器能更好的满足器件功能及成本等各方面的要求。其中 a w g 早已做为一种成熟的商品得到了广泛的应用。而e d g 相对的发展要弱于 a w g ，主要是源于工艺上的难度相对较大，不容易获得足够理想的器件性能。 图l5 ( a ) 阵列波导光栅和( b ) 蚀刻衍射光栅 ，7 = ；号三量三三三量； ( b ) 闰1 6 ( a ) a w g 以厦( b ) e d g 的原理圈 图16 展示了这两种类型波分复用器件的原理图。如图所示，不论是a w g 还是e d g ，它们的工作原理都是相似的：不同波长的光经过自由传输区域扩散 之后，经过阵列波导传播或光栅齿面反射，从而获得不同的相位变化以实现器 件的色散功能。所以e d g 亦可以看成是一个反射式的a w g ，并且用光栅齿面 来取代阵列波导。相比于a w g ，e d g 由于只具有一个自由传播区域( f r e e p r o p a g a t i o nr e g i o n ) ，所以具有潜在的尺寸优势。另外，由于增加光栅齿面的数 蜡一 鲤 甜一 型型 塑， 燮 糕 浙江大学博士论文 目要比增加阵列波导数目更容易，所以随着器件通道数量的增加，e d g 的尺寸 变化不如a w g 那么迅速。但是，e d g 的主要缺点来自于制作工艺上。由于光 栅齿面的形成需要高质量的深刻蚀，垂直度要求高，并且表面粗糙度也要尽可能 低，这些都对刻蚀工艺提出了较高的要求。同时，为了能提高光栅的反射效率， 在光栅齿背面镀金属是一种较常见的办法【1 5 1 6 】。这样就进一步增加了工艺的复 杂度，不利于器件的实用化。另一种办法是利用全内反射齿面 1 7 18 】，这样在不 增加工艺复杂度的情况下能大大提高器件衍射效率，不过这种办法只适用于芯层 折射率较大的情况，对于像s i l i c a 这样的弱限制情况并不适合，本论文对此亦进 行了分析。 人们已经对基于氧化硅和磷化铟衬底材料上的e d g 波分复用器开展了许多 研究1 9 2 1 1 。在设计上主要的研究重点比如增大光栅衍射效率，通道平坦化，降 低回损，补偿偏振相关损耗及波长偏移等等。在工艺上则尽可能提高深刻蚀的质 量，提高光刻分辨率，减小随机相位误差等。当硅基绝缘体材料进入人们视线以 后，分别基于硅基脊型波导和硅基纳米线波导的e d g 也先后被制作出来 2 2 2 3 1 。 对于硅基纳米线波导，主要好处是，器件尺寸大大缩小，比如在文献 2 3 1 q h 整个 器件所占面积仪有2 8 0 9 m 1 5 0 吐m ；另外，由于波导芯层的厚度非常小，通常为 保持单模条件在2 0 0 3 0 0 n m 之间，所以对刻蚀的要求也相对降低；此外由于芯 层与包层的折射率差增加了，从而使得光栅齿面的反射率也远高于二氧化硅等弱 限制材料下的情况。但是，硅基纳米线也有一些缺点，例如，由于尺寸的减小， 从而对整个工艺包括芯层的生长、定义器件形状的光刻等过程要求更加严格，微 小的偏差都会造成工作波长的偏移。并且，由于硅纳米线波导的特殊色散特性， 使得器件的偏振相关程度较为严重。通常，如果不进行偏振补偿，无法让器件同 时工作于两种不同偏振状态。如何对基于硅基纳米线波导的e d g 进行偏振补偿， 也是本文的一项重要工作。对于传统的各种基底材料，如s i l i c a 或i n p ，两种偏 振状态下的折射率本身相差不是非常大，而且，更重要的是等效折射率随波长变 化并不明显，也就是结构色散不太大，从而两种不同偏振状态下的通道间隔是一 致的，即不同偏振下的频谱响应具有一样的谱形，只需要将中心波长重合，那么 整个频谱就完全重合。这种做法却不适于硅纳米线材料，因为该情况下两种偏振 具有不同的群色散或群折射率，从而使得通道间隔在不同偏振下不相同，在t m 状态下色散更大，通道间隔更小，因而仅仅考虑一个中心波长下的补偿并不足够。 一本文将对此进行讨论，并探讨一些补偿偏振相关波长的方案。 除了波分复用器件，本论文还对另一种器件进行了一些研究：光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 器件。“光子晶体”的概念最早在1 9 8 7 年由s j o h n 以及e y a b l o n o v i t c h 两人分别独立提出2 4 2 5 1 ，它指的是介质周期性调制的折射率分布， 从而形成对传播光束特殊的限制，正如同晶体里周期性排列的原子或分子对电子 波函数分布所起到的作用相似。在晶体里面，由于电子会受剑自身所属原子之外 的其他原子的相互作用，因而分立的能级会转变为一系列的能带，如禁带和导带。 与之类似，在光子晶体中，由于折射率的周期性变化，不同的模式可以趋向于低 折射率区域，可以称为“a i rb a n d ”2 6 1 ，也可以更集中于高折射率区域，称为 “d i e l e c t r i cb a n d ”。正如电子总是先占据较低的能带，频率较低的光场模式总是 更趋向于低折射率区域，所以当折射率调制度足够大，并且符合特定的分布规律 时，低阶模式与高阶模式之间的能量分布相差很大，相应的，它们所要求的频率 也相差很大，从而形成了一个频率真空，处于两者之间的光频无法具有对应的模 式分布。这些被禁止的频率区间也称“光子频率带隙”( p h o t o n i cb a n dg a p ) 。 1 5 浙江大学博十论女 介质折射率在三维方向上均满足周期性分布的光子晶体结构称为三维光子 晶体，与之对应的还有二维及一维光子晶体，如图1 7 所示。一般来说，三维光 子晶体结构可以形成完全的光子频率带隙即处于该带隙内的光频，不管波矢k 如何选取方向，都不能在晶体中传播，从而被完全限制住。但是在制作上，三维 光子晶体工艺难度很大，在半导体工艺中也没有相应的可以借鉴的较好方法。近 年来，人们采用一些特殊的办法，如逐层堆积或自组装方法，成功的实现了一些 三维结构的光子晶体2 7 2 8 1 ，如图1 8 所示。 同前稀 国i7 光子晶体结构示意：( a ) 一维光子晶体，( b ) 二维光子晶体，( c ) 三维光子晶体 相比于三维结构，二维光子晶体结构的制作较为容易，完全和各种集成器件 的工艺类似。如前所述，二维光于晶体所形成的带隙只在具有周期性分布的二维 方向上起限制作用，而在另一个均匀分布的方向上对光场缺乏限制。于是人们借 鉴了平面波导的机制，在第三个方向上引入折射率差，即让光子晶体姓于一个高 折射率的平板波导中，它在垂直于平面的方向上受到全内反射的限制，从而能使 光场限制在平板中传播，这样的结构被称做“光于晶体平扳”( p h o t o n i ec r y s t a l s l a b ) p 9 3 1 1 。圈1 8 中所示的结构即为几种3 d 或2 d 光子晶体结构。 女扛大学博论女 阿i8 几种光子晶体结构：( a ) 三维堆积结构( b ) 三维自组装结构( c ) 孔状光子晶体 维波导 m a x ( a r c s i n ( n ，肋，) ，a r c s i n ( n 。肋，) ) ，光线就能同时在两个界面 都发生全内反射，从而被束缚在波导之中。同时，为了使得光线能在波导中稳定 传输，还必需满足光线在两个界面之间往返一次的总相位变化是加的整数倍。 于是根据以上这些条件，就可以求出对应于某一波长( 真空中波矢为k o ) 的光线 所需满足的入射角口，从而求出其传播常数，即传播方向上的波矢分量， = ，z ，s i n o ，以及与该传播模式对应的等效折射率f l = ，在此不再赘述。e a - 图2 2 平板波导内光线传播示意图 2 1 浙江大学博士论文 本文主要从波动理论来分析平板波导中的导波模式。波导理论是以麦克斯韦 方程( m a x w e l l ) 组为着眼点，把平板波导中的传播模式看作是满足平板波导边 界条件的麦克斯韦方程组的解【4 7 】。麦克斯韦方程组包含以下几个方程： 挲：一v x l ；2 , ，_ = 2 一v， d t 笔：v h j ， o t v 西= p ， v 云：0 进一步假设电磁场是时谐的，即有 e f t ，t ) = e ( 尹) p 倒， 豆( 尹，f ) = 膏( 尹k 朋 从而可以得到时谐电磁场情况下的m a x w e l l 方程组： v x e = 一j t o l 2 0 h ， x h = j 僦e 将各矢量按空间分量展开成如下两组方程： 等一要：一鹏皿 巩a z j 一1 鲁一等= 一j c o l t o h y 8 za x 誓一等：一鲰z a x a v 。嘲一2 鲁+ 誓：一j c o g t a 1 ，色 孥一掣：j(a艿eoz o x 誓一等：j r o g e , 巩巩 ( 2 1a ) ( 2 1 b ) ( 2 i t ) ( 2 1 d ) ( 2 2 a ) ( 2 2 b ) ( 2 3 a ) ( 2 3 b ) ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) 由于该平板波导在y 方向上是均匀的，因而可以得到彰砂= 0 。并且，设光场沿 着传播方向z 的变化可以用一个传输因子e x p 纰) 来表示。那么，以上各式子中 纠如均可转换为矽。于是以上方程组2 4 可以写成两组自洽类型的解，其中一组 浙江大学博士论文 电场矢量只包含日，称为横电模或t e 模，见方程组2 5 a 。另一组磁场矢量只包 含毋，称为横磁模或t m 模，见方程组2 5 b 。下面分别讨论两种情况下的解的 形式。 e y = - ( - 移p t 。h l 等：一j w o h 。( _ 2 一 。 o x 郴p 鼍= j w c e y魄 h y - e x i a i - i y = j e 6 e ： 哪| 鼍：一j a o l 4 0 i - i y 魄 1 t e 模 对于t e 模式，由于电场只存在易分量，故可得到如下波动方程： ( 2 5 a ) ( 2 5