（光学工程专业论文）亚微米硅基光波导的设计与模式特性研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，亚微米硅基光波导的设计与模式 特性研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：毖白堕日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：劲p 年6 日吩黾 导师签名：垒丝坦年月卫日 摘要 光通信、光计算和光学牛物传感技术的发展促进了对光学芯片技术的需求，也 使硅基光了学是当今世界上一个热门的前沿学科，依靠硅光了学的技术支持，光子 器件与电子器件可集成到同一硅片上，从而具有异乎寻常的信息收发和处王单- 能力。 硅在绝缘体上( s i l i c o n o i l i n s u l a t o r ：s o i ) 是近年来普遍接受且标准化的集成光波导技 术平台，是未来硅摹光了学器件发展方向。通过进步的优化设计、改善工艺、减 小波导尺寸，基于s o l 的光波导器件和集成模块在光通信、光传感和光信息处理中 正在发挥着丰导性的作用，将会成为在全光网和光计算机中的核心器件和部件。 光波导的小型化研究对于减小光波导分立器件的体积和提高其集成度至关重 要，纳米级波导的光传输特性对其横截面的几何尺寸非常敏感。本论文首先讨论和 分析了高、宽都小于5 0 0 n m 的s o i 脊形光波导的单模条件、偏振无关条件，然后研究 并模拟了注入载流子对硅波导中的光学折射率和光学吸收系数的影响及外界电场对 波导内载流予分布的影响，进而根据分析与模拟结果优化设计了s o i 光波导结构，最 后根据优化结果加工了实验样品并获得了与理论预言相一致的实验结果。 我们的研究表明，硅在绝缘体上( s o i ) 亚微米脊形波导的模式特性与脊形微米 级光波导是十分不同的。传统的有效折射率法等数值计算方法有其局限性，这里我 们采用了快速准确的二维束传播( b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ，b p m ) 算法，得到亚 微米脊形光波导满足单模和偏振无关条件的重叠截面尺寸参数。尤其我们发现，当 波导高度为3 0 0 n m ，单模条件与4 0 0 n m 高度的波导开始有显著不同。因此，以上这些研 究结论为构筑基于亚微米尺寸波导的光电子器件结构设计提供一定理论支持。 关键词：集成光子线路；脊形光波导；绝缘体上硅；载流子 a b s t r a c t i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，s i l i c o np h o t o n i c sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cf o rt h e d e m a n d so fo p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n s ，o p t i c a lc o m p u t e r sa n d o p t i c a lb i o s e n s o r s w i t ht h ep o w e r f u ls u p p o r to fs i l i c o np h o t o n i c s ，e l e c t r o n i c c i r c u i t sa n d p h o t o n i cc o m p o n e n t sc a nb ei n t e g r a t e do nas i n g l ec h i pt oc r e a t eh i g h l ya d v a n c e d f u n c t i o n si no p t i c a li n f o r m a t i o nr e c e i v i n g p r o c e e s i n ga n dt r a n s m i s s i o n s i l i c o n o n - i n s u l a t o r ( s 0 1 ) i sr e c e n t l yw i d e l ya c c e p t a b l ea n ds t a n d a r d a b l ep l a t f o r mo f s i l i c o n - b a s e dp h o t o n i c - i n t e g r a t e d c i r c u i t ( p i c ) ，a n dw i l lf i n db r o a da p p l i c a t i o n si nt h e n e a rf u t u r e t h r o u g ht h es u c c e s s i v eo p t i m i z a t i o n so fw a v e g u i d es i z e ，d e v i c ed e s i g na n d f a b r i c a t i o np r o c e s s ，s o ib a s e dp i cd e v i c e sa n dm o d u l e sa r ep l a y i n gd o m i n a n tr o l e si n o p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，s e n s o r sa n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d d e s t i n e dt ob e c o m e c o r ep a r t si nf u t u r eo p t i c a ln e t w o r k sa n do p t i c a lc o m p u t e r s m i n i a t u r i z a t i o no fw a v e g u i d e si sv e r yi m p o r t a n tf o rr e d u c i n gt h ed i m e n s i o n so f o p t o e l e c t r o n i c sd e v i c e sa n di m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o no fd i s c r e t ed e v i c e s t h em o d e c h a r a c t e r i s t i c so fs o ls u b m i c r o nr i bw a v e g u i d e sa r ev e r ys e n s i t i v et ot h ep r o f i l ea n dt h e d i m e n s i o no fw a v e g u i d ec r o s s s e c t i o n i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e da n da n a l y z e dt h es i n g l e m o d ea n dp o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n t c o n d i t i o n so fr i b w a v e g u i d e sw i t hh e i g h ta n dw i d t ho fl e s st h a n5 0 0 n m , t h e ns t u d i e da n d s i m u l a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h e c o n c e n t r a t i o no ff r e e c a r r i e so nt h eo p t i c a lr e f r a c t i v ei n d e x a n da b s o r p t i o no fs i l i c o nc o r eo fs u b m i c r o nw a v e g u i d e sa n dt h ei n f l u e n c eo fo u t s i d e e l e c t r i cf i e l do nt h ed i s t r i b u t i o no ff r e e c a r r i e r s ，f u r t h e rw eo b t i m i z e dt h eo p t i c a l p r o p a g a t i o nl o s sa n dp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c e o fb o t hl i n e a rw a v e g u i d e sa n dc u r v e d w a v e g u i d e s ，a n df i n a l yw ef a b r i c a t e ds o m ew a v e g u i d es a m p l e sa n do b t a i n e d s o m e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c ha r ea g r e e a b l ew i t ht h ec o r r e s p e o n d i n gs i m u l a t i o nv a l u e s o u rr e s e a r c hs h o w st h em o d ec h a r a c t e r i s t i c so fs u b m i c r o m e t e rr i b w a v e g u i d ea r e d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fm i c r o m e t e r s i z e do n e s c o n v e n t i o n a la n a l y z i n gm e t h o d ss u c ha s e f f e c t i v ei n d e xm e t h o dh a v et h e i rd e f i c i e n c y , h e r ew eh a v ea d o p t e daf a s ta n da c c u r a t e t h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n a r yb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) a l g o r i t h m ，a n df o u n d t h e r ee x i s taf e wo v e r l a pp a r a m e t e r so fw a v e g u i d ec r o s s s e c t i o nb e t w e e ns i n g l e m o d e a n d p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tc o n d i t i o n s e s p e c i a l l y , t h e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t s i n g l e m o d ec o n d i t i o n sa r ef o u n db e t w e e nt w or i bw a v e g u i d eh e i g h tv a l u e s ：3 0 0 r i ma n d 4 0 0 n m a l lt h ea b o v er e s u l t sa r es u s t a i n a b l ef o rc o n s t r u c t i n gh i g h p e r f o r m a n c e o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do ns u b m i c r o m e t e rn a n o - w i r ew a v e g u i d e s k e y w o r d s ：p h o t o n i c i n t e g r a t e d c ir c u i t ： ri b w a v e g u i d e ： si iic o n - o n in s uia t o r ：c a r rie r s 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景与目的1 1 2 国内外研究现状、发展趋势2 1 2 1 凼内外研究现状2 1 2 2 发展趋势5 1 3 硅基光子器件的调制原理与方法5 1 4 木论文土要t 作一7 第二章s o i 光波导的模式特性分析8 2 1s o i 光波导8 2 2s o l 光波导的数值分析方法1 0 2 2 1 有效折射率法1 1 2 2 2 束传播法1 3 2 3s o l 亚微米脊形光波导模式特性研究1 4 2 3 1 人尺寸脊型光波导的单模条件和偏振无关条件1 4 2 3 2 纳米线光波导的单模特性1 6 2 3 3 纳米线光波导的偏振无关条件1 8 第三章s o i 光波导调制机理2 l 3 1 等离子色散效应2 1 3 2 光波导调制结构的电学模拟2 2 3 2 1 电学模拟软件a t l a s 简介2 2 3 2 2 调制又：p i n 注入结构对光波导电学性能的影响2 2 3 2 3 电极距离对光波导电学性能的影响2 3 3 2 4 电压对光波导电学性能的影响2 7 第四章器件的加工与性能测试3 0 4 1 光波导的损耗研究3 0 4 1 1 波导的传输损耗3 0 4 1 2 波导的弯曲损耗3 l 4 1 3 波导与光纤的耦合3 2 4 2 器件制作的工艺流程3 2 4 3 工艺介绍3 3 4 3 ii c p 幺0 蚀一3 3 4 3 2 减薄片子3 4 4 4 测试系统及测试过程3 4 4 4 1 测试系统及关键技术3 4 4 4 2 传输损耗测试方法3 6 4 4 3 直波导插损测试3 6 4 4 4 弯曲波导拟耗测试3 7 第五章结论4 l 致谢4 2 参考文献4 3 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 2 0 世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到一个崭新的时代信息化时代。在 这个时代人们对信息的需求急剧增加，传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量 的要求，建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代信息技术发展的必然趋势。而建设 高速大容量的宽带网络，原有的电学器件已经满足不了我们的要求，这就要求我们发现新 的材料与工具。许多传统的i i i - v 族材料的电光调制器利用直接电光效应实现了4 0 g h z 高速 电光调制，t u 是器件制作成本高，而且与微电子工艺不兼容。因此，人们对大容量、宽带 宽，低成本信息传输系统的渴望导致了硅基光电子学的诞牛。在日常生活里，硅可以说无 处不在，电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开硅材料，硅作为科技应用 普及材料之一，已经渗透到人们生活中各个角落。 随着硅基光学和光电子学的发展，硅基光波导器件和光电子器件受到了广泛重视。硅 材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优 势。绝缘衬底上的硅材料( s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ，s o i ) 最初是为了满足微电子学技术 的发展而出现的。当时主要用于制作m o s f e t 器件以减小m o s 器件的小尺寸效应，在深亚 微米v l s i 技术中具有明显的优势和潜力。然而，当s o i 被应用到光电器件以及光子器件领 域时，它所具有的先天优势使得这一研究方向备受关注，并且得到了极为迅速的发展。s o i 材料用于导波器件时，其优越性主要体现在其良好的波导特性、与传统微电了工艺的高度 兼容性、成熟的制备工艺、低廉的成本、在光通信长波长窗口的低吸收损耗特性等。 近年来的研究表明，当波导中载流予浓度发生变化时( 只要浓度变化达到一定的数量 级l o e l 7 以上) 就会引起比较明显的折射率变化。 就s o i 器件而言，高速的光调制器一般都是通过s i 的等离子色散效应来实现。根据这 一效应，s i 的折射率随材料中自由载流子浓度的增大而减低，同时就可以通过驱动电路 来实现对波导中光场的相位调制，进而通过器件的光学结构实现开关调制动作。等离子 色散效应与电光效应的不同之处在于，后者利用的是材料折射率在电场下的变化，而前者 利用的是材料折射率随自由载流子浓度的变化。 近年来s o l 电光开关调制器的研究取得了令人瞩目的进展，通过采用各种各样的电 学调制结构利光学结构，例如光栅结构以及微环结构，s o l 电光开关调制器的响应时间 达到了纳秒( n s ) 量级。现在的波导不只在调制速率上有了很大的进步，器件也正在不断 地向小型化、实用化方向发展，国际上已经出现了尺寸在0 3l am 量级的硅线光波导器件。 然而光波导的尺寸缩小后，单模传输条件将发牛改变，需要重新确定，而且也会带来 传输损耗增大，偏振相关性增强，与光纤之间耦合效率下降等难题。因此在设计新的高速 硅基电光调制器的过程中，将不得不考虑这些问题。 通过目前世界技术水平和我国的研究状况对比，可以明显看出，我国在硅基光了学器 件，尤其高速电光调制器方面的研究还处于初期阶段，和国外的差距较大，这种差距主要 体现在器件制备工艺上，在器件结构设计上，国内仍然能够走在国际前列。在传统p i n 结构电光开关的基础上继续高速调制器的研究，缩小与国外先进水平的差距是我们今后努 力的方向。 1 - 2 国内外研究现状、发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 2 0 世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到一个崭新的时代信息化时代。在 这个时代人们对信息的需求急剧增加，传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量 的要求，建设高速大容量的宽带综合业务网己成为现代信息技术发展的必然趋势。 在电子通信技术遇到上述的发展瓶颈的时候，一些新兴的通信技术就应运而生了，在 这些通信技术中，光通信技术凭借其巨大潜在带宽容量的特点，成为支撑通信业务量增长 最重要的通信技术之一。1 9 7 0 年，美国c o m i n g 公司第一次宣布它所研制的高纯硅酸盐 玻璃单模光纤的损耗已小于2 0 d b k m ，从而打开了光纤通信走向实用化的大门，使光纤通 信迅速的发展起来。 i n t e l 公司将m o s 电容结构应用到硅基电光调制器件中，在s o i 衬底上成功实现了g h z 开关速度的电光调制，其基本结构为m z 干涉仪，其调制原理仍然利用硅的等离了色散效 应。但是，由于其相移区结构的改善，使得整个器件的调制速率大为提高，可达至f j l g h z 以 上。有评论称这是硅基光电子学的里程碑。它标志着一个崭新的硅光子学时代的来临。随 后，i n t e l 公司又相继提出了硅基挝曼光放大器以及挣曼光调制器，并对最初提出的光调 制器进行了改进。目前，改进的m o s 电容结构光调制器的开关速度已经超过了6 g h z 如图1 1 所示。 2 其结构 学气相沉积 硅层延伸到 成了纵向的 加电压进行调制时，由于栅氧的存在，器件中不会形成电流，在电场的作用下感应电荷聚 集在栅氧的两边，使得这一区域的载流子浓度增大，折射率变小，从而实现对光场的相位 调制。通过采用m o s 结构，使器件的调制方式从一般的电流调制转变为电压调制，实现 了调制区与光场的交迭，进一步降低绝缘层的厚度既可以增加电容收集电荷的数量，又减 小了反波导效应对整个光场模式的影响。载流子的主要运动方式为电场作用下的漂移运动 而非扩散运动。另外，载流了浓度变化的区域与光场分布区域基本重合，二者交叠积分比 较大，因而可以实现高效快速的调制。 微环也是一种国际上常用的波导结构，它具有波长选择的功能。利用这一特点，q x u 等人在这种基于s o l 脊型波导的微环结构上制作了p i n 电学调制结构，这样当调制电 压变化时，载流予浓度的变化将引起波导折射率的变化，进而导致微环结构谐振波长的变 化。器件的光波透射率随其波长敏感变化，相应的对丁波长。定的光波，波导折射率( 与 调制电压相对应) 的微小变化即可导致光波透过率的显著变化，从而实现了光场的高速强 度调制。在q x u 等人给出的测试结果中，通过对器件选择合理的结构参数和测试参数， 这种微环谐振器的响应时间可以低至2 0 0 p s 。 i n t e l 研究人员开发成功了硅光了元件( 采用半导体的光电路) 。这是英特尔于2 0 0 4 年2 月1 2 日宣布的。研究小组应用硅半导体制造工艺，制作出了将数据转换成光束的“全 世界最快”( i n t e l ) 的元件。该公司表示，“若使用这种元件，用普通硅就能制造出高 3 速光调 试验中 产生相 度切换 半导体 不仅需 等领域 导体光 通信的 图1 2 i n t e l 公司生产的s o l 光波导 富士通研究所成功地大幅缩小了可进行长距离传输的l o g b i t 秒光调制器的体积，过 去业界始终认为此类产品很难进行小型化设计。将标准外形尺寸达7 0 m m 1 3 m m 的铌酸锂 ( 1 。i n b 0 3 ) 光调制器缩d 唾l j 2 1 m m 1 4 m m 的同时，还几乎完全消除了调制时产生的称为“波长 咧啾( w a v e l e n g t hc h i r p ，也称为波长扫动) ”的波长变化。由富士通研究实现的小型化 铌酸锂光调制器是一种丰要应用于8 0 k m 以上的长途通信领域的外部光调制器。通过在铌酸 锂单结晶片上施加电压改变折射率，对光进行调制，与电吸收( e l e c t r oa b s o r p t i o n ，e a ) 调制器等使用的半导体产品类型相比，具有波长依赖性和啁啾小的特点。不过其缺点是噪 音非常大。富士通公司已推出一种4 0 g b p s 铌酸锂光调制器，其驱动电压仅为1 8 v ，该公；刁 4 称是世界同类产品中驱动电压最小的一款。该产品有两种型号，分别为驱动电压为1 8 v 的双驱动光调制器和驱动电压为3 5 v 的单驱动光调制器。由于器件电压的降低，因而无需 再使用可提供高输出电压的放大器。该器件还内置了光敏二极管，从而无需电气数据和 d c 偏压控制所需的外部光学监控电路和单独的输入终端。 我国的光调制器技术也取得了许多新进展，重庆航伟光电科技有限公司、浙江大学、 南京大学以及上海交通大学等均开发出达到国内先进水平光调制器。 1 2 2 发展趋势 目前硅基光了学和光了集成技术已经发展到了一个崭新的阶段，新技术新器件层出不 穷，有关硅的各种传统观念被新的实验结果一一突破。2 0 0 4 年i n t e l 公司在n a t u r e 上报 道了调制带宽超过1 g h z 的硅基高速光波导调制器；同年c o r n e l l 大学的研究人员在n a t u r e 上发表了基于s o i 波导微环谐振器的亚纳秒级全光开关；2 0 0 5 年i n t e l 公司又研制出了 1 5 5 0 n m 光泵浦的激射波长为1 6 8 6 n m 的连续硅基r a m a n 激光器，c o r n e l l 大学的研究人员 在n a t u r e 上报道了基于s o i 波导微环谐振器的高速电光调制器；2 0 0 6 年i n t e l 公司和加 州大学联合研制成功了世界上首个电泵浦连续激射硅基iii - v 族混合集成激光器，丹麦的 研究人员在n a t u r e 上报道了应变硅的强电光效应；2 0 0 7 年i n t e l 公司将硅基电光调制器 的3 d b 带宽扩展到3 0 g h z ，实现了4 0 g b i t s s 的信号传输，达到目前商用i i i v 族利铌酸 锂外调制器的水平；2 0 0 8 年美国l u x t e r a 公司向世人展示了世界上第一块在1 3 0 n mc m o s 生产线上制造的硅基单片集成高速c m o s 光了收发模块，采用w d m 技术，数据传输速率 4 0 g b p s ；i n t e l 公司报道了采用调制器阵列和波分复用m u x d e m u x 的硅基光子集成芯片， 数据传输速率为2 0 0 g b p s 。硅基微纳结构光子功能器件是当前硅基光子集成技术的研究热 点，是实现高密度光子集成的关键，也为超高速非线性硅基有源光电予器件开启了希望之 门，硅光了时代已经来临。 1 3 硅基光子器件的调制原理与方法 如前所述，就s o i 器件来讲，高速的光开关调制器一般都是通过s i 的等离了色散效应 来实现。根据这一效应，s i 的折射率随材料中自由载流_ 了浓度的增大而减小，同样可以 通过驱动电路来实现对波导中光场的相位调制，进而通过器件的光学结构实现开关调制 动作。等离了色散效应与电光效应的不同之处在于，后者利用的是材料折射率在电场下的 变化，而前者利用的是材料折射率随自由载流了浓度的变化。1 ：l 由于在开关调制过程中 都牵涉到电学参数( 电场或载流了浓度) 的变化，所以都可称为电光调制器件。 5 m a c h - z e h n d e r ( m z ) 结构调制器的损耗书要有吸收损耗和y 分支器分支处的辐射损 耗，而对s o i 电光调制器影响最大的是有源区的自由载流了吸收损耗。在基于s 0 1 的m z 结构干涉仪中，所有高速调制和开关器件都是利用硅的等离子色散效应。根据d r u d e 理 论模型，采用一级近似，硅的等离了色散效应, - - i 表为： 一是( 等+ 等)一色散 ) a a = 锄q z c 3 a j s 2 瓦 锄z c j s n ，z n 载流了吸收 ( 1 2 ) 式中n 和a 口分别是折射率和吸收系数的变化；q 是电子电量；a 为真空波长：c 为真 空光速；e 。是真空介电常数；n 。是本征硅的折射率；tn 和i lp 分别为电予和空穴的迁移率； n e 和n h 分别为电子和空穴的浓度变化；研，和，l ，。分别为电子和空穴的有效质量，值 得注意的是，载流子色散和载流子吸收是同时存在的。 一个基于y 分支的m z 干涉仪的结构如图1 3 所示。光功率经耦合进入输入波导，在第 一个分支处分成两束光，由于干涉仪两臂的结构是完全对称的，所以两束光功率和偏振 态都相同。在干涉仪的一个臂或两个臂上设置调制区，经相位调制的两束光在第二个分支 处合束进入输出波导，并干涉生成强度调制波。假设调制区对光信号只有相位调制，没 有吸收的产牛，两束光合束时光强仍然相等，则输出功率p o u t 与输入功率p i n 的关系为： 只，= 以c os 2 ( 竽) ( 1 3 ) 因此有理想的干涉输出最大( p ；。) 和最小( 0 ) 。然而，对于利用等离子色散效应工作的硅 基m z 干涉型器件，由于载流子色散和载流子吸收是同时存在的，在对m z 干涉仪的相移臂进 ，行相位调制时，必然伴随着吸收，将会在两臂之间产生不同的光场衰减，合束时的两束光 的强度不再相等，从而使丁涉仪输出端的调制深度下降( 丌关器件则降低了消光比) 。同时， 随着注入载流了浓度增大，引起器件的附加光吸收损耗也必然增加，因此在器件总的光损 耗中是不可忽略的。研究表明，当an 5 ak ( k 为材料消光系数的变化) 时，载流了 色散效应产生的相位调制作用占优势从而可以实现有效的相位调制。 6 一作旦甜 一心里甜 稿喇 图1 3y 分支m a c h - z e h n d e r 干涉仪调制器结构 所以，我们现在要通过实验得到影响载流了浓度变化的因素，也就是研究外部条件对硅波 导折射率的影响。 1 4 本论文主要工作 本论文主要讨论和分析了绝缘体上硅( s o i ，s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 高、宽都小于 5 0 0 n 椭脊形光波导的单模条件，偏振无关条件，并模拟了亚微米光波导的电学特性和光 学特性，得到外界条件对波导载流予分布的影响结果。基于模拟结果设计优化了光波导， 加工了直、弯曲波导实验模型，并进行了实验验证。 第一章阐述了硅作为光子集成和光电子集成技术平台的优势和应用前景，分析了s o i 波导电光调制器件的限制因素和解决途径。 第二章介绍了硅基光波导的基础知识，对s o i 单模光波导进行了研究包括s o i 单模 光波导的设计，大小截面尺寸波导单模条件的对比和分析和s o l 单模光波导的偏振无关性 等。“ 第三章分析了硅摹电光调制器件的调制机理和s o l 电光调制器件相位调制的摹本原理 对不同调制区结构及调制区掺杂特性对器件性能的影响作了理论分析；利用a t l a s 模拟 软件对带有p i 1 1 电学调制结构的脊型波导的静态、动态特性随波导尺寸及其电学结构参 数的变化情况进行了模拟、比较、分析。 第四章加工了几个典型结构的微纳米波导，并测得了这些结构的光传输损耗和弯曲损 耗与曲率半径的关系。所得的实验结果与理论计算值基本一致。 第五章总结了论文的工作并对未来的研究进行了展望。 7 2 1s o l 光波导 第二章s o l 光波导的模式特性分析 由波导理论3 我们可知，光波本质上就是电磁波，只是波长在特定范围内，这就像是 在金属波导管中传输微波一样，用介质薄膜波导传输光波。当光的入射角度超过芯层一缓 冲层和芯层一包层交界面上的临界角时，光在两交界面上发牛全反射，因此光能量就限制 在芯层中，并按一定形式在波导内传播，这时我们就称芯层为光波导。若芯层上下的材料 折射率不等，则为非对称波导，反之如果两材料的折射率相同，就称为为对称波导h3 。我 们一般研究对称波导较多。 光波导是集成光路及其元器件中的最基本构成单元，其作用类似电路中的导线，用来 实现不同器件之间的光路连接，对光波主要起着限制、传输、耦合的作用。s o i 技术作为 一个集成光波导技术平台，从无源器件的角度来讲，由于其对光束相对高的约束使其传输 损耗小，从而可以产生集成密度高的光波线路与器件，而且成熟的加工工艺为s o i 技术的 光予集成技术快速发展与普及创造了条件。然而，波导电光调制器件，s o l 中的导波层s i 属于中心反演对称的晶体，不具备线性电光效应，不能用外加电场的方式改变材料的折射 率，所以s o i 光开关调制器一般都是利用s i 材料的热光效应或等离子色散效应来实现。 根据s i 的热光效应，材料的折射牢随温度的上- 5 1 而增大，依据这一原理制作的器件称 为热光开关调制器。虽然由于在调制过程中不可避免的牵涉到热扩散的问题，器件的响 应速度受限于热量的扩散速率，s i 基热光波导调制器件的效应速度是可以达到几个微秒 ( i t s ) 的量级，而一般的热光器件的响应时间只能达n m s 量级。然而，这种热光效应器 件的工作稳定性永远是限制其应用与发展的关键因素，而且所采用的极为复杂的差分控制 电路，也是另一重要因素。 随着全光网络的不断发展，o x c 、o a d m 等核心器件对光路切换速率的也有了越来越高 的要求，因此在光开关的设计、制作过程中，开关时间成了衡量其性能优劣的最重要指标 之一，并直接要求达到远小于l p s 的水平，而光调制器已经有1 g h z 以上的实验报道，并目 前以2 5 g h z 和l o g l l z 为主要研究目标。如前所述，对s o l 器件来说，高速的电光开关调制 ：器一般都是通过s i 的等离了色散效应来实现。根据这一效应，s i 的折射率随材料中自由 载流了浓度的增大而减小，同样可以通过驱动电路来实现对波导中光场的相位调制，进而 通过器件的光学结构实现高速电光开关调制动作。等离了色散效应与电光效应的不同之 处在于，后者利用的是材料折射率在电场下的变化，而前者利用的是材料折射率随自由载 流了浓度的变化。但由于在开关调制过程中都牵涉到电学参数( 电场或载流了浓度) 的 变化，都可达到高的调制速度，所以摹于这两种效应的器件都被称为电光调制器件。 8 s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ( s 0 1 ) 是一种性能优异的光波导材料。作为绝缘体的材料通常 为s i o ：，其中采用s i s i o ：s i 结构的s o i 光波导研究得最多。由于作为导波层的硅和作为 限制层的s i o ：的折射率差大于2 0 ，所以对光的限制能力强，这就使得s o i 光波导器件具有 较小的损耗。对光的强限制还可以实现曲率半径较小的弯曲波导及转角反射镜，有助于制 作结构紧凑的集成光学器件，以提高光予线路的集成性。s o i 材料用于导波光电子器件的 研究还是在八十年代后期。当时丰要认为其可以用来制作介质光波导，进入九十年代以后 才开始重视而投入更多的研究。s o i 波导技术不仅在无源导波器件而且在有源导波器件， 主要是调制器、电光开关和发光与激光器件。s o i 技术平台用于导波器件其优越性表现在 以下几点： 1 良好的波导特性。由于作为导波层的硅和作为限制层的二氧化硅的折射率差很大，s o i 对光的限制很强，这使得s 0 1 光波导器件具有较小的损耗。 2 器件结构紧凑。对光的强限制还可以实现曲率半径较小的弯曲波导，或者直接做成直 角反射镜结构，有助于制作结构紧凑的集成光学器件。 3s o i 材料与i c 工艺相容。基于s o i 技的集成光予学器件可继续延用成熟的微电子加工工 艺，这就提供了将光学器件及电予器件集成在同一芯片上的可能，甚至能够做成三维器件， 实现大规模集成。 4 集成光子学器件在应用中既抗辐射又抗振动，能在空间或军事上应用。 5 用于光互连光学回路的运算速度比电子回路快l o e 4 倍，是下一代高速大容量计算机不 可缺少的关键技术。 s o i 波导的损耗丰要是由波导侧壁粗糙引起的散射、波导层体折射牢的不均匀性以及 波导对光场的限制作用决定的，特别是对高折射率差导波结构，随着波导尺寸的减小，模 场与粗糙侧壁的相瓦作用会进一步增强，从而导致损耗呈指数急刷增加的趋势。由于s o i 波导折射率差大在纵向上对光场具有很强的限制作用，因此只要埋层s i o ：的厚度大于0 4 “川即可忽略波导模向衬底的泄漏损耗。对于由s i m o x - s o i 和b e s o i 材料，由于其均具有很 好的体折射率均匀性，所以其波导损耗由s i s i 0 7 界面质量决定，同时s o i 波导的损耗还 与波导的截面尺寸和加工途径有关。实验发现碑1 当s o i 波导的厚度h 大于工作波长九时波 导的损耗与l h 3 成正比，说明采用大尺寸的脊形单模波导可降低波导损耗。但是，大尺寸 并不足我们想要看到的结果，目前器件的小型化是其能够产品化和实用化的关键。s o i 微 纳米光波导的偏振相关性很强，表现在波导中t e 矛h t m 模的模场、有效折射率和光损耗等存 在很大的不同。为了实现纳米线波导的低损耗传输以及偏振无关，必须深入研究硅纳米线 波导的损耗和偏振特性。研究微纳光波导制作工艺，包括电了束曝光的临近效应、写场拼 接、纳米尺度深槽结构刻蚀、消除氧化硅填充空孔提高致密度等问题。 随着s o i 材料和波导制作工艺的不断完善，s o i 波导的传输损耗不断降低，从最初的十 9 几d b c m 阳到低于l d b c m n 刳。u f i s h e r 等2 3 制作的大截面尺寸脊形s o i 单模波导传输损 耗小于0 1 d b c m 。 由于目前对高度集成和小型化的需求，纳米量级的光波导电光调制器已经成为了研究 的重点。同时，近几十年来微电子工艺的高速发展，使得纳米线波导的加工制作成为可能。 载流了注入或复合的路程减小会使调制的响应时间缩短，因此小截面波导调制器不但具 有更紧凑的结构，还具有更大的调制频率。然而纳米量级的光波导其模式特性，包括单 模传输条件和偏振无关条件与大尺寸波导都是十分不同的，相比较起来纳米尺寸光波导更 为敏感，所以想要应用纳米尺寸光波导，我们首先对其模式特性要重新确定。因此在设计 新的高速硅基电光调制器的过程中，将要先考虑尺寸敏感问题、尺寸减小带来的耦合损耗 增大等等问题。 2 2s o i 光波导的数值分析方法 光波导调制器件的单模条件和偏振无关性，是器件达到亚微米量级后首先需要解决的 两个问题，也是光波导能够付诸应用的基本要求。高速调制时光场区所需载流予浓度的提 高会增加载流予的光吸收。同时，随着器件尺寸的不断缩小，工艺过程更加难以控制，脊 形波导的侧壁工艺误差增大，会直接引起损耗增加。所以纳米线波导和微米量级的脊形波 导模式特性会有很大的差别，单模条件、偏振相关性、光传输损耗等因素的差别会变大， 而这些影响，目前丰要是期望通过优化器件尺寸来解决。而且通过我们的模拟，我们看到 能够通过优化光波导的几何尺寸来实现光波导单模、偏振无关和低传输损耗的条件下工 作。 。 s o i 光波导的种类繁多、结构复杂，因此设计过程中需要对光波导进行充分模拟，并 优化相关参数以满足器件要求。研究光波导的主要方法包括最常用的有效折射率法 ( e i m ，e f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ) 、束传播法( b p m ，b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ) 、模式 匹配法( m m m ，m o d em a t c h i n gm e t h o d ) 、谱折射率法 n ：，它可等视为 如图2 2 所示的二维平面光波导。1 为波导层，：为限制层，波导层厚度即为脊形波导的 脊宽肌由y 方向平板波导的模方程可得n 争1 5 1 n l w 懈一孵_ ，留- 1 【鬈h 2 】+ 留_ 1 ( 籍h 3 】 式中j = l ，2 ：d = h ，d ：= h ：n = o ，1 ，2 ，3 为y 方向导模阶数。 叼1 歹= 然肼模摊 旷吁n 。 即 ( 2 1 ) 原脊形波导既模的有效折射率屹n j 舢f 1 2 2 所示等效平板波导t m 模的有效折射率， 删一眠) 2 弘w = 嬲+ 矽 1 r 2 1 ， ( 2 2 ， 式中n 1 ，n ：由式( 2 1 ) 给出，其中仇f = 1 ，n l 为x 方向导模阶数，m = 0 、1 、2 、3 n n n 脊形波导e 。y 。模的有效折射率嵋即为图2 2 所示等效平板波导t e 模的有效折射 率，即 州一( 2 】2 w = m z c + 2 t g - 1 【黼y 2 2 弘汜3 ) 式中功等效三层平板波导的波导层厚度，即脊形波导的宽度。n 1 、2 由式( 2 1 ) 给出， 其中，叼，：= 哆，仇，= 哆。m 为x 方向导模阶数m _ 。、- 、2 、3 对于图2 2 所示的平板波导，1 、n ：的差值主要由图中脊形波导内脊和外脊的高度 差决定，一般较小。这样对于水平方向的对称三层平板波导n 2 n 1 n 2 ，只要w 足够小，那 么平板波导在水平方向上只能承载单模。此时，对于脊形波导来说，相当于垂直方向上的高 阶模的能量全部耦合n 基n o e ，即脊形波导只能承载单模，由此即可推导出大截面尺寸脊 形光波导的单模条件。， 根据有