（测试计量技术及仪器专业论文）基于强限制光波导的微环谐振器及其热光特性研究.pdf

摘要 摘要 器件小型化的研究一直是集成光电子器件的发展方向之一。利用强限制光波导结构 是实现器件小型化设计的一种非常有效的途径。微环谐振器( m r r ) 是集成光电子回路 的重要组成单元，它可以实现光无源有源器件的众多功能，因此m r r 的相关研究至关 重要。本论文围绕s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 和s u 8 两种材料，研究了两种强限制光波 导结构：s o i 纳米线光波导和s u 8 脊型光波导，在此基础上，对基于强限制光波导的小 型化m r r 及其热光特性进行了深入的理论和实验研究。 集成光电子器件的理论基础是光波导电磁场理论及其数值计算方法。在此，给出了 包括有限差分方法( f d m ) 、光束传输方法( b p m ) 及时域有限差分方法( f d t d ) 等的 分析求解过程，并将其应用到光波导器件的分析研究中。本文利用分步f d t d 方法对透 镜光纤( t l f ) 与s o i 纳米线光波导的端面耦合系统进行了分析：考虑到光纤的旋转对 称性结构，我们采用旋转体f d t d 方法对磨锥t l f 和拉锥t l f 的聚焦特性进行了分析， 把三维问题转化为二维问题，节省了计算资源，提高了计算效率。计算结果表明拉锥t l f 具有较强的聚焦特性，但是相对于磨锥t l f ，其传输损耗比较大。因为s o i 纳米线光波 导不具备旋转对称性，所以对光纤波导耦合系统的特性分析，我们使用了标准的三维 f d t d 方法。仿真结果显示拉锥t l f 光斑小，与s i 纳米线光波导的耦合效率高；但是耦 合系统总的损耗( 耦合损耗与t l f 传输损耗之和) 与磨锥t l f 耦合时计算出的总的损 耗相差不多。 在热传导理论基础上建立了光波导的热学分析模型，提出了亚微米宽的新型热电极， 并把它应用到s o l 脊型纳米线光波导上利用自建的热学分析模型，对该光波导结构进 行了数值分析，并与传统的掩埋型光波导进行了热学性能的比较。结果显示，具有新型 热电极的s o i 脊型纳米线光波导结构所需电极功耗低，约为后者的1 1 0 ，响应速度快， 约为后者的2 倍。不仅如此，其加工工艺简单( 仅需一次光刻工艺) ，制作成本可大大降 低。在此基础上，我们对该光波导结构进行了光学性能优化，并利用m r r 结构设计出 一种超小型、低功耗( 5 m w ) 、大范围可调( 2 0 n m ) 的热光可调谐滤波器。 对s o i 超小型光波导器件的制作工艺进行了总结，并给出了新型热电极下的s o i 脊 i i i 浙江大学博士学位论文 型纳米线光波导热光器件的：r - e 流程。对s u 8 脊型光波导( 空气为波导的上包层) 的 制作工艺进行了研究，并对两种制作工艺( 纳米压印技术和直接紫外光刻技术) 进行了 比较。后者工艺简单，对于我们设计的s u 8 光波导结构( 微米量级) 仍然能够提供足 够的工艺容差，因此本文中关于s u 8 光器件的制作都是利用直接紫外光刻技术完成的， 器件表征结果显示利用该技术能够制作出低损耗的s u 8 光波导及器件，如小型化多模 干涉( m m i ) 耦合器、m r r 等。 利用s u 8 脊型光波导结构，通过在m m i 区域引入二次曲线锥形结构，设计出一种 基于g i ( g e n e r a li n t e r f e r e n c e ) 干涉机制的小型化2 2m m i 耦合器，并利用直接紫外光 刻技术，完成了该器件的制作，测试结果显示该器件具有损耗低、均匀性好、带宽大等 优点。把小型化2 2 锥形m m i 耦合器引入到m r r 耦合区，研制出了小型化的m r r 器件，对其光学性能，包括光谱响应、偏振相关特性等进行了表征，并对其热光效应进 行了实验研究，测试结果显示温度升高1 0 0 0 c ，其谐振波长漂移量将超过1 0 n m ，该性质 对于研制大范围可调谐的滤波器件十分有利。针对s u 8 脊型光波导的强限制作用及 m r r 的谐振增强效应，我们对m r r 的热光非线性效应进行了探索性实验研究，通过对 测试结果的分析，我们得到了s u 8 材料对红外光的吸收系数约为0 1 7 9c m 1 ，为实现全 光控制提供了一定基础。 关键词：强限制光波导、微环谐振器( m r r ) 、热光、时域有限差分( f d t d ) 、s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 、滤波器、s u 8 、直接紫外光刻技术、多模干涉( m m i ) 耦合器、 热光非线性。 a b s t t a c t a b s t r a c t m i n i a t u r i z a t i o ni so n eo ft h er e s e a r c hd i r e c t i o n sf o ri n t e g r a t e do p t o - e l e c t r o n i cd e v i c e s a v e r ye f f e c t i v em e t h o dt od e v e l o pc o m p a c to ru l t r a c o m p a c td e v i c e si su s i n gs t r o n g l y - c o n f i n e d o p t i c a lw a v e g u i d e s m i c r o r i n gr e s o n a t o r s ( m r r s ) b e c o m ei n d i s p e n s a b l e e l e m e n t sf o r p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sb e c a u s eo ft h e i rs t r o n gf l e x i b i l i t ya n df u n c t i o n a l i t y t h e r e f o r e ， r e s e a r c h e so nm r r sa r ev e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，t w ok i n d so fs t r o n g l y c o n f i n e do p t i c a l w a v e g u i d e sa r ei n v o l v e d ，n a m e l y , s o i ( s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) n a n o w i r ew a v e g u i d e sa n ds u 一8 r i d g ew a v e g u i d e s c o m p a c tm r r sb a s e do nt h e s es t r o n g l y c o n f i n e do p t i c a lw a v e g u i d e sa n d t h e i rt h e r m a lp e r f o r m a n c e sa r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y o p t i c a ll i g h t w a v et h e o r ya n dn u m e r i c a lm e t h o d sb u i l du pt h eb a s i so fi n t e g r a t e do p t i c s h e r e ，v a r i o u s n u m e r i c a l m e t h o d s ，i n c l u d i n g f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h o d ( f d m ) ，b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) ，f i n i t e - d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) m e t h o d ，a r ei n t r o d u c e d a n da p p l i e dt oa n a l y z ea n dd e s i g nv a r i o u sp h o t o n i cd e v i c e s i nt h i st h e s i s ，t w o - s t e pf d t d m e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z et h eb u t t - c o u p l i n gb e t w e e nt a p e r e dl e n sf i b e r s ( t l f s ) a n das o i r i bw a v e g u i d e t w ot y p e so ft l f sa r ec o n s i d e r e d ，n a m e l y , at a p e r e d c l a d d i n gt l fa n da t a p e r e d c o r et l f t h eb o r ( o rr a d i a l ) f d t di sf i r s tu s e dt os i m u l a t el i g h tf o c u s i n gf o rt w o t y p e so ft l f s i ti ss h o w nt h a tt h et a p e r e d c o r et l f h a sas m a l l e rf o c u ss p o ts i z ea n dal a r g e r t r a n s m i s s i o nl o s st h a nt h et a p e r e d - c l a d d i n gt l f t h eb u t t c o u p l i n gb e t w e e nat l fo fe i t h e r t y p ea n d as o ir i bw a v e g u i d ei st h e ns i m u l a t e db ya3 df d t dm e t h o d t h et a p e r e d - c o r et l f h a sas m a l l e rc o u p l i n gl o s st ot h es o ir i bw a v e g u i d eb u tas i m i l a rt o t a ll o s s ( t h es u mo ft h e c o u p l i n gl o s sa n dt h et r a n s m i s s i o nl o s s ) ，a sc o m p a r e dw i t ht h et a p e r e d - c l a d d i n gt l e a c c o r d i n gt ot h eh e a tc o n d u c t i o nt h e o r y , t h e r m a lm o d e l i n go fo p t i c a lw a v e g u i d e si s p r e s e n t e d b a s e do nt h i st h e r m a lm o d e l i n g ap h o t o n i cs o ir i d g ew i r ew i t has u b m i c r o n m e t a l h e a t e ri sp r o p o s e d i t st h e r m a la n a l y s i si sp r e s e n t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a l b u r i e d o p t i c a lw a v e g u i d e t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e p r o p o s e ds 0 1w a v e g u i d es t r u c t u r ei sa l m o s tl e s st h a n1 1 0o ft h el a t t e r , a n dt h er e s p o n s et i m e v 浙江大学博士学位论文 i sa b o u th a l fo ft h a to ft h el a t t e r t h i sp r o p o s e ds t r u c t u r ea l s oh e l p sr e d u c et h em a n u f a c t u r e c o s t ，b e c a u s eo n l yo n ep h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s si sn e e d e d f u r t h e r m o r e ，o p t i c a lp e r f o r m a n c e s o ft h i ss t r u c t u r ea r eo p t i m i z e d ，a n da nu l t r a c o m p a c tw i d e l yt u n a b l et h e r m o o p t i c a l ( t o ) m r r f i l t e ri sd e s i g n e d t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h ed e s i g n e dm r rh a saw i d et u n i n gr a n g eo f a b o u t2 0 n mw i t hal o wh e a t i n gp o w e ro f5 m w t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e sf o rs o ib a s e du l t r a c o m p a c to p t i c a lw a v e g u i d e sa n dd e v i c e sa r e s u m m a r i z e d h e r ea l s op r e s e n tt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sf o rt h et h e r m o o p t i c a ld e v i c e s b a s e do nt h ep h o t o n i cs o ir i d g ew i r ew i t has u b m i c r o nm e t a lh e a t e r w ec o n d u c tr e s e a r c h e s o nf a b r i c a t i o na r t so fs u 一8r i d g ew a v e g u i d e sa n dd e v i c e s t w ok i n d so ft e c h n o l o g i e sa r e c o m p a r e d ，i e ，n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h ya n dd i r e c tu l t r a v i o l e t ( u v ) p h o t o l i t h o g r a p h y t h e l a t t e ri se a s i e ra n di ss t i l la b l et op r o v i d ee n o u g hf a b r i c a t i o nt o l e r a n c ef o ro u rd e s i g n e ds u - 8 o p t i c a lw a v e g u i d e s ( s e v e r a lm i c r o n s ) t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，s u - 8b a s e dp h o t o n i cd e v i c e s a r ea l ld e v e l o p e db yd i r e c tu vp h o t o l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , w h i c ha r ep r o v e de f f e c t i v eb y l o wl o s so p t i c a lw a v e g u i d e sa n dd e v i c e s ，e g ，s m a l lm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ( m m i ) c o u p l e r , m r r , e t c a2 2t a p e r e dm m i c o u p l e ri sd e s i g n e da n df a b r i c a t e db yu s i n ga i r - c l a d d e ds u 一8r i d g e w a v e g u i d e s ，w h i c ha r ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gt h ed e v i c es i z ea n di m p r o v i n gt h es e l f - i m a g i n g q u a l i t y t h ep a r a b o l i c a l l yt a p e r e dm m is e c t i o ni su s e dt or e d u c ef u r t h e rt h es i z eo ft h em m i c o u p l e r t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ef a b r i c a t e d2 2t a p e r e dm m ic o u p l e rh a s r e l a t i v e l ys m a l le x c e s sl o s sa n dn o n u n i f o r m i t yf o rb o t hp o l a r i z a t i o n si nab r o a dw a v e l e n g t h r a n g e i n t r o d u c i n gt h i s2 2t a p e r e dm m ic o u p l e ri n t om r rc o u p l i n gr e g i o n ，w ed e v e l o pa c o m p a c tm r rd e v i c e i t so p t i c a lp e r f o r m a n c e sa r ec h a r a c t e r i z e d t oe f f e c t o f s u c h m m i b a s e dm r ra r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e s o n a n tw a v e l e n g t hw i l ls h i f to v e rlo n mw h e nt h et e m p e r a t u r ei si n c r e a s e db y10 0 0 c t h i si s u s e f u lf o rd e v e l o p i n gt od e v i c e sw i t haw i d et u n i n gr a n g e c o n s i d e r i n gt h es t r o n gl i g h t c o n f i n e m e n to fs u 一8b a s e da i rc l a d d e dr i d g ew a v e g u i d e sa n dt h er e s o n a n c ee n h a n c e m e n to f m r rs t r u c t u r e ，t h el a s te x p e r i m e n tp r e s e n t e di nt h et h e s i si sc a r d e do u tt oe x p l o r et h et h e r m a l n o n l i n e a r i t yo fs u - 8p o l y m e r t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dt h ei n f r a r e dl i g h t a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fs u 一8 ( a b o u t0 17 9c m 1 ) i so b t a i n e d ，w h i c he s t a b l i s h e st h eb a s i sf o r t h ef u t u r ew o r ki n v o l v e di na l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n v i a b s t r a c t k e y w o r d s ：s t r o n g l y c o n f i n e dw a v e g u i d e s ，m i c r o r i n gr e s o n a t o r ( m r r ) ，t h e r m o o p t i c a l ( t o ) ， f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) ，s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) ，f i l t e r , s u - 8 ，d i r e c t u l t r a v i o l e t ( t y v ) p h o t o l i t h o g r a p h y , m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ( m m i ) c o u p l e r , t h e r m a l n o n l i n e a r i t y v n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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堂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：辛勿辛卯 签字日期： b 卵年月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿苤堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权堑姿盘鲎可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一一m 一鼍 学位论文作者签名： 物卿 导师签名： 网 l 露囊| 签字日期： 劢驴7 年f 月年日 签字日期：”t “讲一：年；一。h 日 致谢 致谢 美丽的求是园伴我度过了五年的求学时光。在这里，有灰心丧气的时刻，也有信心 百倍的时刻；有实验失败的挫败感，也有得到认可的满足感。回想往事，心中良多感慨 油然而生。在这里，我遇到了诸多博学可敬的老师，结识了许多热心善良的朋友，他们 的支持和鼓励是我完成学业的有力保障。 首先我要感谢我的两位导师何赛灵教授和戴道锌副教授，本论文的研究工作无不渗 透着二位导师们的汗水和心血。从课题选择到研究过程的每一步、再到最后的论文写作 这整个过程中，何老师和戴老师都给予了我最耐心、最细致的指导和帮助。两位导师严 谨的治学态度、敏锐的科学洞察力以及静心做事的工作作风深深感染着我，必将对我今 后的工作产生长远的积极影响。另外，他们给予我的不仅仅是学科领域内的专业知识， 更重要的是做学问乃至做人的道理，这些都将成为我终生受益的宝贵财富。最后，我还 要感谢两位导师在生活上给予的无私帮助和真切关怀。 感谢何建军教授和尹文言教授给予的悉心指导和帮助。何教授对本论文最后的实验 工作提出了非常重要的建议，并提供了仪器设备的大力支持，实验过程中的讨论更是让 我受益匪浅。尹教授则教会了我有限单元方法及其编程思想，培养了我处理多物理场混 合计算问题的能力，虽然本论文中并未放入此内容，但是这些知识对我以后的科研工作 必将产生积极的作用。 感谢课题组所有成员对我工作的支持和帮助。感谢胡鑫松师傅在光波导制备工艺方 面传授给我的经验。感谢时尧成博士在我刚进中心时给予的无私帮助。感谢课题组的郎 婷婷、胡睿、王拮超、盛振、唐涌波、胡菁、刘清坤、焦雨清、杨波、王剑威、朱云鹏 等同学对我工作的大力支持。感谢崔艳霞在我情绪最低落的时候给予了我最大的帮助和 鼓励。忘不了跟我一届现已毕业的邝景国硕士和龚超硕士。我们一起学 - - j 生活的点点滴 滴都将成为我一生中最美好的回忆。 除此之外，我还得到了中心其它课题组包括张徐亮博士、廖然博士、邹勇卓博士、 秦山博士、于弋川博士、郁张维博士、叶余千、王博文、王晓鹏、陈达如、管祖光、欧 海燕、姜萌、付宏燕、高莹、郭昌建、洪学智等师兄师姐、师弟师妹们的支持和帮助， 浙江大学博士学位论文 在此表示感谢。还要感谢i o e 团队的李明宇博士和王俊、魏文雄等同学在实验上给予的 帮助。 最后衷心感谢我的家人。感谢父母和弟弟这些年来的鼎力支持，他们的默默付出是 我完成学业的动力源泉。 杨柳 2 0 0 9 年4 月于求是园 1 引言 1 引言 1 1 光互联技术中的集成光电子器件 1 9 6 5 年，g o r d o nm o o r e 提出了著名的摩尔定律。在该定律的指导下，基于集成电子 学的信息技术产业得到了前所未有的快速发展。速度越来越快，线宽越来越小，集成度 越来越高，但是随着金属互连线尺寸的进一步减小( 线宽达到亚波长，甚至更小的数量 级时) ，电阻与电容的乘积将成双曲线上升的趋势变化，传输速度必将减慢；另一方面， 尺寸减小导致金属阻值增大，功耗显著增加，散热问题严重。可见传输速度的提高和尺 寸的减小已经达到了电互联的物理极限，变成了电互联发展的“瓶颈”。一个很好的解决 办法就是采用以光为信息载体的光通信技术，首先光具有极高的频率( 1 0 1 5 h z ) ，用它 作为载波信号，可以更快地传输信息。光波导可以同时传输多个波长的载波信号，使信 息传输容量大大提高，这是电互联技术难以实现的。而且不同的载波信号可以互不影响 地在介质中进行传输( 不考虑材料的非线性效应) 。在过去的3 0 年间，光通信技术为现 代生活提供了一种高可靠性、高容量及高速度的信息传递手段。随着网络的普及、高清 晰电视的推出，人类对计算机处理速度的需求日渐高涨，光通信技术在超短程系统中的 应用( 又称为光互联技术【1 3 】) 也飙升为国际学术界的研究热点。近年来，美国c o m e l l 、 t e x a s ( a u s t i n ) 、m i t 等高校，英国s o u t h a m p t o n 大学，比利时g e n t 大学，香港中文大 学等高校研究机构在光互联技术上都做出了突出贡献。i n t e l 4 】、i b m 5 等国际大公司 也一直致力于光互联技术的研发，并把实现高速度、大容量、低功耗、低成本的超级计 算机系统列入重点发展规划之中 光互联技术的发展依赖于集成光电子技术的大力发展。在同一个芯片上，把众多光 电子元件，如激光器、放大器、调制器、探测器、衰减器、( 解) 复用器等集成在一起， 便形成了光子集成回路( p i c ，p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 。类似于微电子器件，光电子器 件也经历着小型化的发展过程- 减小器件尺寸，提高器件集成度，降低器件成本，减小 器件功耗，提高器件性能 6 ，7 】。但是，p i c 器件集成度的发展速度却滞后于微电子器件， 因为相对于微电子器件而言，光电子器件种类繁多，功能各异，材料多样，难以集成， 阻碍了p i c 光电子器件的快速发展。这对于集成光学来说，即是机遇又是挑战，因此成 浙大学博学位论立 为了集成光学的重点研究对象之一 一般地，我们把集成光电子器件分为无耀和有源两种，顾名思义，前者不需要外界 能量，按照器件自身的结构设计把输入的光能量进行再分配，如耦合器，分柬器、波分( 解) 复用器、光插分复用器、滤波器等：而后者往往利用外界能量( 如电能，热能或光能等) ， 使得光能量在器件内产生、放大或再生，如激光器、探测器、调制器、光开关、放大器 等。微环谐振器( m r r ) 和阵列波导光栅( a w g ) 是构成集成光电子器件的两个重要 单元，a w g 主要用来实现波分( 解) 复用功能，而i v i r r 的功能则非常强大，它几乎可 以实现任意功能的无辣，有源光电子器件，因此i v i r r 的研究显得尤为重要，也是本论文 研究工作的重点。目1 1 仅仅给出了m r r 和a w g 在平面集成光电子器件中的一种应用 实例：4x4 路由器【8 和波分( 解) 复用器【9 】 二q 一乎一卜 a ( b r f 1 卜a ，1 | | 憾i 图l1两种典型的平面光电子器件：( a ) 4 4 路由器 8 ；( b ) 4 0 0 通道的a w g 基波分 解) 复用器9 1 。 砒是m a r c a t i n i 于1 9 6 9 年提出来的【1 0 】，它不需要腔面来提供光反馈，十分有剃 于与多种平面光波导器件毁联它功能强大最近几年内已彼广泛应用于光插，分复用导 ( o a d m ) 【1 1 - 1 3 】、缓冲墨【1 4 】激光6 1 5 ，1 6 】，调t h j - 1 7 - 1 9 】及路s m s ，2 0 】等无尊 有毒光电子墨件中除此之外，高q 值的浪对波长的高敏感性，决定了其在光传感 领域内的广阔应用前景【2 l ，2 2 ) 。 散热问题是困扰微电子产业的棘手问题，它迫使徽处理器制造商放弃了对高时钟速 度的追求，进而转向多棱赴理器方案，它打破了一直指导其发展的摩尔定律。2 0 0 6 年， 电子芯片的散热量就已经超过了1 0 0 w c m 2 因此，对于v l s l 光电子集成芯片来说，我 们要求渡分( 解) 复用器滤波器、激光罂，调制器等( 任意材料) 器件必须能够在不 # 一 萨1 甲 o i v 业 1 引言 断升高的底部温度中( 至少9 0 0 c ) 仍然保持正常的工作特性 2 3 ，2 4 1 。这一要求对于谐振 型光电子器件( 如m r r ) 来说不能不是一个极大的挑战。 温度是一把双刃剑，热光效应在m r r 中的应用也有其积极的一面。例如，热光效应 可用于校正因工艺误差引起的器件相位偏差 2 5 ，2 6 1 。另外，热光效应还被广泛地应用于 开关功能的实现，因为热光效应本身速度较慢( g s 量级) ，通常被用来制作速度要求不 是很高的光开关 2 7 】路由器 8 】、大范围可调谐滤波器 1 3 ，2 8 ，2 9 等功能器件。m r r 对谐 振光具有累积增强作用，因此基于m r r 的热光非线性效应也被广泛研究 3 0 3 3 1 。 1 2 强限制光波导的发展概况 光波导是构成光无源有源器件的基础单元，制作光波导的材料有很多，包括l i n b 0 3 晶体、i i i v 族半导体材料、硅基二氧化硅( s i l i c a o n s i ) 、聚合物( p o l y m e r ) 和s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 等，这些材料各具特色、各有优劣，下面具体分析之。 l i n b 0 3 晶体是一种非常好的多功能光电材料，具有优良的电光、压电性质，目前商 用的光调制器大多都是采用l i n b 0 3 晶体制作的。l i n b 0 3 晶体是一种高非线性系数的各 向异性晶体，可用于波长转换、二次谐波激发、光参量振荡器等有源器件。基于l i n b 0 3 晶体的钛扩散光波导开发较早，工艺成熟，但是该波导的损耗较大，典型值为 0 2 0 5 d b c m 。 。 i i i v 族半导体( 如i n g a a s p i n p ) 是一种直接带隙半导体材料，具有极高的发光效 率，通过控制不同元素的组合比例，其发光光谱可从可见光一直覆盖到红外波段，是照 明、光通信的主导材料。另外，i n p 器件比较小，与i n p 基的有源无源光电子器件集成 在同一芯片上有一定的优势。 与l i n b 0 3 晶体和i i i v 族半导体材料相比，硅基二氧化硅( s i 0 2 - o n s i ) 、p o l y m e r 和 s o l 无论在材料成本和制备成本上都更具优势，表1 1 第一栏总结了这三种材料的基本 特点，下面分别对它们进行详细介绍 s i 0 2 o n s i 是最早被广泛使用的光波导材料，工艺发展最成熟，这是因为s i 0 2 光波 导和标准单模光纤具有非常好的匹配关系。s i 0 2 成膜技术主要有火焰水解法( f h d ) ， 化学气相沉积法( c v d ，日本n e c 公司开发) 、等离子体增强c v d 法( 美国l u c e n t 公 司开发) 和熔胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 等。s i 0 2 光波导具有优良的光学特性，传输损耗很小， 约为0 0 2 d b c m ，因此被认为是实现无源光集成器件最具实用前景的技术途径之一。日 浙江大学博士学位论文 本n t t 公司早在2 0 0 2 年就已经开发出了2 5 6 通道、4 0 0 通道以及通道数大于1 0 0 0 的 a w g 波分复用器 9 】。另外s i 0 2 光波导还被用于热光开关【4 1 】的研制，但器件尺寸非常 大，开关功率非常高，不是一种很好的制作热光器件的材料。 p o l y m e r 材料成本低、加工处理简单快捷；与s i 0 2 波导相比，它还具有双折射小的 优点；p o l y m e r 材料热光系数约为s i 0 2 材料的3 2 倍，因此它是制作热光器件的最佳材料； 另外，p o l y m e r 材料还可用于有源器件的研制，通过选择性掺杂，p o l y m e r 可具有信号放 大、电光调制等功能 4 2 ，4 3 p o l y m e r 材料种类繁多，一般可分成两类：一类是紫外光 敏感性聚合物，可用直接紫外光刻技术( d i r e c tu vp h o t o l i t h o g r a p h y ) 进行加工处理，如 s u 一8 3 7 ，4 4 ，4 5 】；另一类对紫外光不敏感，可采用纳米压印光刻( n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 等技术进行加工处理，如聚乙烯【2 1 】，工艺过程往往比较复杂。p o l y m e r 材料折射率可控， 选择高折射率的p o l y m e r 材料可有效减小器件尺寸，提高集成度。p o l y m e r 材料因其优 良特性吸引了众多公司企业( 如美国d u p o n t 、m i c r o c h e m 、j d s u ，德国h h i 及日本n t t 等) 的共同关注，具有广阔的发展空间。p o l y m e r 材料中的s u 8 是一种负性环氧树脂光 刻胶，对紫外光敏感，是i b m 于上世纪9 0 年代开发出来的。它可实现任意膜厚( 从0 7 5 1 , t m 到4 5 0 斗m ) 的旋涂，且曝光烘烤后的s u 8 分子发生交链，性质稳定，不溶于显影液， 因此s u 8 在微加工、微电子以及微机电系统( m e m s ) 中应用广泛。s u - 8 对4 0 0 n m 以 上光波段具有非常高的透过率，被广泛应用于平面光波导器件，如多模干涉( m m i ) 耦 合器 4 5 】、滤波器调制器 3 5 】、a w g 波分复用器 4 6 1 等。 s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 是一种多层人工材料，中间的绝缘层s i 0 2 层把单晶s i 与基 底s i 隔离开来。人们对快速强大的电子芯片的需求刺激了s o i 材料及技术的飞快发展， 成为国际微电子产业的主流技术s o i 同样是制作p i c 光电子器件最具吸引力的材料之 一s o i 光波导是利用高折射率的s i 层作为波导芯层，s i 0 2 作为芯层与s i 基底的隔离 层( 见表1 1 ) ，利用其高折射率差( n s i r s i 0 2 = 2 0 ，n s i n a i ，蕾1 0 ) 的特点，波导截面 尺寸可减小到亚微米的数量级，有利于提高器件集成度、降低器件成本。s i 材料在光通 信波长( 1 3 1 i t m 和1 5 5 p , m ) 上具有极低的吸收系数，是制作光无源器件的最佳材料。 器件小型化给硅光子学带来的极大问题是光纤与纳米线光波导之间存在较大的耦合损耗 4 7 。为了提高耦合效率，人们提出并研制出了多种模式转换器( m o d ec o n v e r t e r ，m c ) ， 如双层结构模式转换器( b i l e v e lm c 【4 8 】) 、反向锥形模式转换器( i n v e r s et a p e rm c 【4 9 ， 5 0 】) 、光栅耦合器( g r a t i n gc o u p l e r 【5 1 】) 等，极大地推进了超小型硅基光无源器件的发 4 1 引言 展进入2 l 世纪，硅光子学克服了硅在发光、探测和调制方面的缺点，取得了一系列突 破性进展。2 0 0 4 年，i n t e l 的l i u 等人在著名的( ( n a t u r e ) ) 杂志上报道了首个带宽超过1 g h z 的硅基电光调制器 5 2 】，预示了硅光子学的到来。2 0 0 5 年，i n t e l 研制出第一个连续波拉 曼激光器【5 3 】。2 0 0 7 年，s i 基拉曼激光器的阈值被降低到2 0 m w 【1 5 ，同年，4 0 g b i t s 的高速探测器【5 4 】和4 0 g b i t s 的基于自由载流子色散效应的高速电光调制器 5 5 】先后被 研制成功，这一高速度的信号处理能力( 4 0 g b i t s ) 已达到商用水平。把s o i 光波导器 件与s o i 基的c m o s 电子器件集成在同一芯片上，实现单片的集成光电子回路( o e i c ) 和片上系统( s o c ) 指日可待。 光波导的结构尺寸是整个光器件大小的主要决定因素。因此，为了满足器件小型化、 高集成度的要求，人们往往考虑采用强限制光波导来制作小型化的光电子器件。强限制 光波导通常采用高折射率差的材料，如s o i 。受全内反射作用，光被紧紧地限制在高折 射率材料中，即使光波导具有非常小的弯曲半径，也不至于引起较大的辐射损耗。表1 1 对上述三种材料的典型光波导结构进行了比较，从中，我们可以总结出使光波导器件小 型化的三种常用方法： 1 ) 采用高折射率材料可以极大地增强波导对光的限制。考虑掩埋型光波导结构，单 模s i 0 2 光波导( n s i 0 2 = 1 4 5 5 ，n g 。：s i 0 2 = 1 4 6 ) 可以把光限制在数十平方微米的芯层( 如 6 1 t mx6 9 m ) 中；而在s o i 光波导中，光将被强限制在高折射率的s i 芯层( n s i = 3 4 5 5 ) 中，截面尺寸为亚微米量级，如0 5 1 a m 0 3 9 m 。不仅截面尺寸大幅度减小，弯曲半径也 减小了近1 0 0 0 倍。因此，s o i 成为实现小型化器件的首选材料。采用s o i 材料制作的 a w g 波分( 解) 复用器，占用面积仅为7 0 6 0l x m 2 【5 6 ，是商用二氧化硅a w g ( - 1 0 c m 2 ) 的2 0 万分之一。在此基础上，采用新颖的交叠输入输出自由传输区的结构设计，a w g 尺寸被进一步减小到4 0 5 0b t m 2 【5 7 ，可见通过器件结构的优化设计同样可t ：2 实现小型 化器件的研制 2 ) 采用空气包层可以有效减小波导尺寸空气具有极小的折射率，即? a i ，= 1 0 ，故 光能够被强限制在介质与空气的交界面内。空气包层的单模s u 8 光波导的芯层尺寸约 为2 0 1 a mx1 5 9 m