（微电子学与固体电子学专业论文）基于狭缝波导的光器件研究.pdf

；j1j a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e m a lr e v i e w e r s ： c h e ns h a o w up r o f e s s o r i n s t i t u t eo fs e m i c o n 血堡! 笾! 笪匹 l i 丑曼 ! q 鱼墨墨q !s h 堑吐堑! 坠墨! i 丛星煎巡曼煦墨y ! 曼坐 e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： 里亟堑g 丛i 堕g 鱼坠垒里! q 鱼墨璺q 圣h 自i 塑g 堕塾i y 曼墨煎y i 垫gx i 垫g i 堕gq 鱼墨墨堕圣h 自i 堑g ! 也i y 曼堡i 垃 g i 坌咀y i! q 鱼墨墨q ! 圣h 自i 坌卫g ! 地i y 曼! 墨i 鲤 曼望旦堑! i 望g里! q 鱼墨墨q ! h i 坠垒i ! i 垒坠g ! 也i y 星! 墨煎y d a t eo f o r a ld e f e n c e - s 业：2 ，2 q ! q 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，也不包含为获得逝姿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：葡习蜘字日期：训。年9 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘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。本人授权逝鎏盘堂 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) 学位论文作者签名： 签字日期：o 卅。年 日 致谢 致谢 难忘九年，难忘美丽的浙大校园，难忘青葱岁月里和蔼而严谨的老师们和热 情风趣的同窗益友。一声感谢，埋藏心底已久，在毕业之际，献给所有关心过我、 帮助过我的老师和朋友。 。最要感谢的是我的导师杨建义教授。从五年前的懵懵懂懂，到今天能够完成 博士学习，没有杨老师的悉心指导，就没有我的成长与今天。导师不仅为我指点 了研究思路和方向，还不断在科研道路上鼓励我、帮助我，耐心细致地指导我修 改每一篇论文、每一个报告。导师的开阔视野，敏捷思路，和豁达心胸，让我受 益终身。 感谢王明华教授。王老师德高望重，知识渊博，治学严谨。最喜欢听王老师 讲报告，生动风趣，高屋建瓴，把我们引入神奇的集成光学世界。感谢江晓晴教 授。江老师深厚的理论功底和丰富的实践经验给了我很大的启发。感谢我的本科 班主任张国荣老师多年来的关心和照顾。感谢周强副教授不辞辛苦的帮我调试实 验设备，感谢李锡华副教授、郝寅雷副教授、朱月莲老师、宋南辛副教授、徐义 刚副教授的指导和帮助。 感谢孙一翎师姐，李字波、周剑英、余辉、王帆、戚伟、周海峰、于天宝各 位师兄在工作上的帮助和生活上的关心。感谢实验室的师弟师妹们：赵勇、王翔、 邱晨、王皖君、姜国敏、祁彪、郑伟伟、白刃、王欢、杨冰，沈奥等等。与大家 一同成长，幸运而难忘。 感谢同寝室的同学们：张瑜瑜、苏娜，在物理基础和电子线路方面的探讨让 我收获很多。你们的陪伴让学习之余也能丰富多彩。 特别感谢辛勤养育我的父母，我的爷爷奶奶和姥爷，离家很远，是你们默默 的支持和鼓励支撑我取得今天的成绩，你们永远是我最坚强的后盾。感谢我的男 友余毅多年来的理解和无怨无悔的付出，这个学位有你的一半。感谢所有关心、 爱护我的亲朋好友。 最后感谢参加论文评审和答辩的各位专家! 肖司淼 2 0 10 年6 月 摘要 摘要 现代大容量、高速的光通信网络的发展离不开集成光子器件的应用。同时， 光子器件的应用还渗透到如片上系统光互连、光伏、显示、传感等诸多领域。并 向小型化、集成化、与节能化方向发展。硅材料以其高折射率差、低成本、有成 熟的微电子制作平台等优势，越来越得到广泛关注，并取得了一系列重要的技术 突破。然而其在有源器件的制作方面仍受限于本身的物理性质。 为了利用硅材料卓越的无源特性和与微电子器件的兼容性，并弥补其物理性 质的不足，近年来人们尝试通过其他材料与硅的混合集成实现优势互补。如将i 一v 族化合物半导体激光器、探测器与硅器件混合集成，或通过狭缝波导这二特 殊结构直接在硅波导上实现良好的有源特性。特别是后者，成本更低，实现更为 简单。基于此，本论文概括了狭缝波导的基本原理和各项应用。针对目前研究现 状，提出了自己的一些分析和实验尝试，主要创新和贡献在于： 1 基于马赫一曾德干涉仪原理，通过在狭缝波导中填充电光聚合物的方法，提出 了一种高速电光硅基光开关，长度几百微米，集总型电极下调制频率可达 8 3 g h z ，功耗仅为3 7 f j b it ，均优于目前普遍研究的载流子色散型同类器件。 2 针对长期以来硅基y 分又型数字光开关性能不理想、尺寸过大的问题，同样 通过聚合物的填充，提出了一种高速的紧凑型狭缝波导数字光开关。并探讨 了多狭缝引入带来的性能改进。 3 针对目前垂直型狭缝波导在刻蚀时工艺要求过高的问题，提出了一种利用反 偏p - n 结构成的改进电极结构。它能够在刻蚀深度不理想，甚至是脊型狭缝 波导的情况下，保证两侧硅电极之间的电绝缘。具有工艺容差大，制作简单 的特点。 4 提出了基于垂直狭缝波导的对称和非对称的马赫一曾德型微流传感器，并采用 折叠型波导设计，大大缩短了干涉型传感器的长度，理论上具有较高的传感 灵敏度。分别采用欧洲纳电子研究机构i m e c 的0 1 8 “m 工艺线和上海中芯国 际的o 1 8um 工艺线代工制作，工艺水平居国内前列。 5 尝试在实验室制作填充聚合物的水平狭缝波导，取得了一些阶段性结果，探 讨了经验与不足。 关键词硅基光子学、狭缝波导、光开关、微流传感器、马赫一曾德型、数字型、 i 摘要 代工 a b s t 旧c t a b st r a c t i n t e g r a t e do p ti c a ld e v i c e sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r nl a r g e - c a p a c it ya n dh i g h s p e e do p ti c a ln e t w o r k ，a n di nt h ef i e l d s o fo n - c h i po p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，p h o t o v o l t a l c ，d i s p l a y ，s e n s i n g ，e t c i tm o v e sn o wt ob em o r ec o m p a c t ，i n t e g r a t e d ，a n de n e r g y s a v i n g s i1i c o n ， a sam a t e r i a lw i t hl 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 e ，l o wc o s ta n db e i n g c o m p a t i b l ew i t ht h em a t u r em i c r o e l e c t r o n i c sp l a t f o r m ，i sg e t t i n gm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n ，a n dh a sa l r e a d ya c h i e v e dl o t s o ft e c h n o l o g i c a l b r e a k t h r o u g h s h o w e v e r t h ea c t i v ed e v i c e sb a s e do ni ta r es t i l l u n d e r d e v e l o p e d f o r t h e1i m it a ti o no ft h ec o r r e s p o n d i n gp h y si c a l p r o p e rti e s i no r d e rt og e tu s eo ft h ee x c e l l e n tp a s s i v ec h a r a c t e r i s t i c so f si1i c o na n di t s c o m p a ti b i1i t y w it ht h em i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s ， m e a n w h il eo v e r c o m i n gt h ep h y si c a ls h o r t a g eo fit ，i nr e c e n ty e a r sp e o p l e a r et r y i n gt oh y b r i di n t e g r a t es i l i c o nw i t ho t h e rm a t e r i a l st oc o m p l e m e n t a d v a n t a g e s f o re x a m p l et oi n t e g r a t esi1i c o n d e v i c e sw it hl a s e r sa n d p h o t o d e t e c t o r sm a d eb y i l l vs e m i c o n d u c t o r s ，o rt or e a1i z ea c ti v e c h a r a c t e r so nsi1i c o np l a t f o r mb yu si n gsl o ts t r u c t u r ew h i c hh a sal o w e r c o s ta n di sm o r es i m p l e i nt h i st h e s i s ，f i r s tt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e s l o ts t r u c t u r ea n di t sa p p l i c a t i o n sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h e nas e r i e so f a n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a la t t e m p t sa r ep r o p o s e d t h em a i ni n n o v a t i o na n d c o n t ri b u ti o na r e ： 1 b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r e n c e ，ah i g h s p e e d e l e c t r o - o p t i c a l s i l i c o no p t i c a ls w i t c his p r o p o s e db yf i l l i n g e l e c t r o o p t i c a lp o l y m e ri n s i d et h es l o ts t r u c t u r eo ft h ei n t e r f e r e n c e a r m s t h ed e v i c el e n g t hi so n l yf e wh u n d r e d sm i c r o m e t e r s ，t h em o d u l a ti o n f r e q u e n c yc a na c h i e v e8 3 g h ze v e nb yu si n gt h el u m p e de l e c t r o d e s ，a n dt h e p o w e rc o n s u m p ti o n iso n l y3 7 f j b it ，m u c ha d v a n c e dt h a nt h ec a r ti e r a b s t r a c t d i s p e r s i o nt y p ed e v i c e ss t u d l e dt i l ln o w 2 i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c k st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ey - b r a n c h d i g i t a lo p t i c a ls w i t c hisn o tv e r yg o o da n dt h ed e v i c es i z ei sl a r g e ，a 1s o b yf i l l i n ge l e c t r o o p t i c a lp o l y m e r ，ah i g h - s p e e dc o m p a c ts i l i c o nd i g i t a l o p t i c a ls w i t c hw i t ht h es l o ts t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h e nt h ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n tb yi n t r o d u c i n gt h em u l t i s l o ts t r u c t u r eisd is c u s s e d 3 s i n c ei t i sh a r dt oe t c ht h es l o tt h r o u g hf o rt h ev e r t i c a ls l o ts t r u c t u r e ， a n i m p r o v e de l e c t r o d ew i t hr e v e r s ep - nj u n c t i o ni sp r o p o s e d i tc a n m a i n t a i ne l e c t r i c a lis o l a t e df o rt h eu n i d e a l l ye t c h e dc a s e ，a n de v e nf o r t h er i b t y p es l o ts t r u c t u r e t h ef a b r i c a t i o nt o l e r a n c eo fi ti sl a r g ea n d i tise a s yt or e a l i z e 4 s y m m e t r i ca n da s y m m e t r i cm a c h z e h n d e rt y p em i c r o - f l u i d i cs e n s o rb a s e d o nt h es l o ts t r u c t u r eisp r o p o s e d ，a l s ob yf o l d e di n t e r f e r e n c ea r m s ，t h e d e v i c el e n g t hc a nb e l a r g e l ys h o r t e n e d ，a n dt h et h e o r e t i c a ls e n s i n g s e n siti v it yi sh i g h w eu s et h ef o u n d r yo fi m e ci ne u r o p ea n ds m i ci n s h a n g h a if o rf a b r i c a t i o n t h et y p i c a lw i d t hi s0 1 8 m ，w h i c hi sa d v a n c e d i nd o m e s t i e 5 t r i e dt of a b r i c a t eh o t i z o n t a ls l o ts t r u c t u r ef i l l e dw i t hp o l y m e ri n o u rl a b o r a t o r y s o m ep h a s i ca c h i e v e m e n t sa r eg a i n e d ，t h ed i f f i c u l t i e sa n d t h ep o s s i b l em e t h o d sf o ra m e l i o r a t i n ga r ed is c u s s e d k e y w o r d s sili c o n p h o t o n i c s ， sl o t w a v e g u i d e ， o p ti c a l s w it c h ， m i c r o f l u i d i cs e n s o r ，m a t h z e h n d e r ，d i g i t a l ，f o u n d r y 目次 目次 摘要i h b s t l a c t i i 目次 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 集成光学的发展动向2 1 3 硅基光子学和混合集成的研究现状6 1 3 1 硅基光子学6 1 3 2 混合集成8 1 4 狭缝波导的提出与研究现状9 1 4 1 狭缝波导的概念及基本性质9 1 4 2 狭缝波导的应用1 3 1 5 本论文的研究意义和工作内容1 3 参考文献1 5 2 基于马赫一曾德结构的干涉型狭缝波导光开关2 4 2 1 马赫一曾德干涉型2 2 光波导开关的基本原理2 4 2 2 多模干涉自映像效应2 5 2 3 聚合物材料的电光效应2 8 2 4 马赫一曾德干涉型狭缝波导光开关的设计3 0 2 4 1 器件结构参数设计3 0 2 4 2 工作机理及结果分析3 5 参考文献3 9 3 数字型狭缝波导光开关4 2 3 1 数字型光开关的工作原理4 2 3 2 单狭缝数字型狭缝波导光开关的设计4 4 3 3 多狭缝数字型狭缝波导光开关的设计5 0 v 目次 参考文献5 3 4 狭缝波导电极的改进研究5 6 4 1 狭缝波导的电极5 6 4 2 半导体p n 结原理5 8 4 3 反偏p n 结型狭缝波导改进电极6 2 4 3 1 理想的狭缝波导电极6 2 4 3 2 刻蚀深度不理想的狭缝波导电极6 8 4 3 3 改进的反偏p - n 结型狭缝波导电极6 9 参考文献7 5 5 狭缝波导微流传感器的设计与制作7 7 5 1 集成光学微流传感器7 7 5 2 狭缝波导微流传感器的设计7 9 5 2 1 狭缝波导微流传感器7 9 5 2 2 波导结构设计8 1 5 2 3 非对称马赫一曾德型微流传感器的设计8 2 5 3 器件制作与测试8 7 5 3 1 代工制作方案8 7 5 3 2 端面耦合测试系统9 1 5 3 3 光栅耦合测试系统9 2 5 3 4 测试结果及分析9 3 参考文献9 9 6 聚合物一硅混合集成水平狭缝波导的制作1 0 3 6 1 水平狭缝波导的制作1 0 3 6 2 聚合物一硅混合集成方案1 0 4 6 3 聚合物一硅混合集成水平狭缝波导的制作10 8 6 3 1 粘合实验1 1 1 3 2 腐蚀和压力验证1 2 0 3 3 存在问题及解决方案1 2 2 考文献1 2 5 目次 7 总结与展望1 2 9 7 1 总结1 2 9 7 2 存在的不足及展望1 3 0 攻读博士学位期间的研究成果1 3 2 v i 目次 浙江火学博l 二学位论文 1 绪论 1 1 引言 通信的发展源于人类对长距离信息传递的诉求。在几千年前烽火就已经被用 于通报军情。而现代的长距离通信一般认为可以追溯到1 8 3 7 年电报的发明。之 后，1 8 9 5 年意大利人m a r c o n i 首次用实验证明了无线通信的可能。电视的发明 更将信息的传递扩展到了图像领域 1 】。在强烈的需求推动下，以微电子技术为 基础的电通信和电互连得到了蓬勃发展，时至今日仍然发挥着不可或缺的作用。 但随着数据传输容量的不断增大，电学带宽已无法满足人们的需要，如图1 1 。 因此人们越来越多的将目光投向了光通信领域。 图1 1 信息容量与通信技术和时间的总括【2 】 光通信的兴起，首先要归功于光纤的使用。虽然早在1 8 8 4 年d a d i e lc o ll a d o n 就已经制作出了始祖级的“光内反射演示器”，但在电通信大发展的时代，光导 并没有在通信领域引起太多的关注这主要有两个原因：首先当时光导的损耗非 常大，导致传输距离很短；其次在激光出现之前找不到一种合适的强力光源【3 】。 1 9 6 0 年，第一台6 9 4 3 n m 的红宝石激光器首先在美国研制成功 4 】。到1 9 6 6 年 华人科学家高锟首次证实，只要通过合适的方法降低杂质浓度，就有可能实现损 耗低于2 0 d b k m 的光纤 5 】。在此基础上光通信得到了长足的发展。时至今日， 通信光纤铺设总长已达十亿k m ，超过铜轴电缆成为远距离通信的首选。 光纤通信具有卓越的优势：( 1 ) 传输容量大。理论上光纤在1 5 5 0 n m 通信窗口 容量极限可达5 0 t b i t s 6 】。( 2 ) 信号损耗小，传输距离远。在最新的报道中， 1 5 5 0 n m 的单模光纤损耗已降至0 1 7 - 0 1 8 d b k m 【7 】，无中继传输可达上百k m 。( 3 ) 】 第一章绪论 抗电磁干扰性好，免于短路或接地环路，易燃环境下安全 8 】。( 4 ) 保密性好。 ( 5 ) 重量轻。( 6 ) 材料来源广泛。通过时分复用、波分复用、码分复用、模式 复用等方式，传输容量还可进一步增大。2 0 0 6 年，n t t 公司已经在实验室实现了 在1 6 0 k m 长的光纤中传输1 4 t b i t s 信号的突破，单纤容量高达1 1 1 6 b i t s 【9 】。但 现在的光通信网络，还处于“电处理一电光转换一光传输一光电转换一电处理”的 阶段，仍受限于电子瓶颈，系统昂贵，可靠性也有待提高。要实现高速、智能的 全光网络目标，有赖于光子器件的跟进发展。如：光波导器件、光源、光开关、 光调制解调器、光隔离器、光环路器、光偏振控制器、光放大器、光接收器等 等。若采用全光网技术，将使网络的运行费用节省7 0 ，设备费用节省9 0 【1 0 】。 不仅仅是长距离通信，现代的光子器件也已经渗透到诸如片上系统光互连、 光伏、显示、传感等诸多领域，并向小型化与集成化方向发展，如图1 2 。这些 都需要借助集成光学的手段来实现。 锨 重挑 芒 薹 2 q h i 习 图1 2 光子产业的市场份额和增长速度( 2 0 0 9 年) 1 1 】 1 2 集成光学的发展动向 集成光学这个概念最早在1 9 6 9 年由美国贝尔实验室的s e m i l l e r 博士提 出 1 2 】。通过在同一块衬底上集成以光波导为基础的有源和无源光波导器件，构 成具有整体功能的光学通路。它不仅具有结构紧凑、工作电压低、动作迅速、无 需人工对准、对环境适应性强等优点，最主要的是光波导可以把光限制在光波长 量级的介质中，从而能够利用光波不同于电子流的波动特性【13 】。从材料结构的 角度，大致可以分为三类：混合型集成光路、单片型集成光路、和介于二者之间 的准混合型集成光路，如图1 3 。出于制作简单和工作稳定等方面的考虑，一般 希望所有功能都能在单片上完成。但是为了取得更优的性能，不同材料不同工艺 ， p d ：光探测器；l d ：光源【1 3 】 这主要是由于在集成光学的发展中，迄今还没有找到一种类似于微电子领域 的硅一样可以满足所有功能需要的单一材料一一“o p t i c a lc i r c u i t sh a v ey e tt o f i n dt h e i rs i l i c o n ”【1 4 】。经过多年的研究，人们的注意力主要集中在以下几 种材料上： ( 1 ) l i n b 0 3 【1 5 - 2 1 】： l i n b o a 是最早被关注的集成光学材料之一，曾被称为“s “i c o no f p h o t o n i c s ”【1 5 】由于成本低廉、制作简单，具有较高的电光系数( y3 3 = 3 0 8 1 0 q 2 m v 【1 6 】) 和很好的非线性，成为所有外调制器中发展最为成熟的，并已 经投入商用采用l i n b 0 3 材料可以实现很多器件，如非线性环形谐振器【1 7 、 调制器【1 8 ，1 9 】( 图1 4 ) 、非线性光子晶体【2 0 】等等。它的主要缺点在于折射 率对波长敏感导致的光损伤【2 1 】。并且其制作所用的质子交换和钛扩散工艺与其 他器件的制作工艺兼容性较差，器件尺寸较大且偏振相关。 l 文l 。万飞：砀嗍 、 、一 黜 脚 帕岫 哪 鼬h 晰 l q 图1 4 不同的l i n b 0 3 调制器结构( a ) 脊型( b ) 薄膜( c ) 反向p u s h p u l1 型 ( 2 ) s i 0 2 2 2 - 2 7 】： s i 0 2 材料来源广泛，价格低廉，制作工艺成熟，线性和非线性光学损耗都非 常低【2 2 】。并且其折射率与光纤几乎相同，耦合损耗很小。它的应用包括制作功 分器、光开关 2 3 - 2 5 】、阵列波导光栅a w g 【2 6 】等等。2 0 0 1 年日本的n t t 公司在 6 英寸片上成功制作出了1 6 1 6 完全无阻塞型二氧化硅热光开关阵列，平均消 第一章绪论 光比超过5 3 d b 【2 4 】。同年，b e l1 实验室利用r o u t e r s e l e c t o r 结构制作的8 8 的热光开关阵列，尺寸降低为6 5 13m m 2 ，仅为n t t 公司8 x8 开关尺寸的 1 5 【2 5 】。但s i 0 2 的二次电光效应为0 ，热光效应下器件的响应速度无法达到很 快，有源特性不够理想。同时，s i o ：是一种低折射率材料，导致波导的截面尺寸 仅能到微米量级【2 7 】，无法进一步适应微型化的发展趋势。 lnd“限ou眈n恤 l a 蚋，1 霄zr d 一l b 9 ：o f f 8 h a l e：o n s 一：蝴b 口o r t ( a )( b ) 图1 5 ( a ) 1 6 1 6 光开关阵列，n t t 公司 ( b ) 8 x8 光开关阵列，b e l l 实验室 ( 3 ) 有机聚合物【2 8 - 3 3 】 有机聚合物也是一种造价低廉、工艺简单的材料，其最大的特点是结构灵活。 不仅可以用于光纤封装和内部连接【2 9 ，3 0 】，也可以用来制作光子器件 3 1 】。常 用的有包括丙烯酸酯、聚酰亚胺、烯烃类、聚碳酸酯等等，很多著名公司如n t t 、 c o r n i n g 、d u p o n t 、g e 等都有相应的商业产品【3 2 】一般制作光子器件应用较多 的是热光聚合物和电光聚合物。大部分热光聚合物的热光系数能达到二氧化硅的 1 0 倍左右；而电光聚合物也已经有电光系数高达6 0 0 p m v 的报道【3 3 】。但是聚 合物的折射率较低，一般在1 5 - 1 6 左右，制成器件的尺寸较大。并且聚合物的 长期稳定性不够理想，还有待进一步提高 4 ( a )( b ) 图1 6 ( a ) 用于器件连接的有机聚合物( b ) 有机聚合物热光开关和v o a 浙江大学博七学位论文 ( 4 ) i i i - v 族化合物半导体【3 4 - 3 8 ： i i i - v 族化合物半导体材料以g a a s 和i n p 为代表，具有很高的折射率( 3 ) ， 器件尺寸较小，并能够用来实现多量子阱结构。此外，化合物半导体是直接带隙 材料，发光效率很高，i n p 激光器可覆盖1 3 m 和1 5 5 “m 波长范围，而g a a s 激光器可覆盖0 8 “m 和0 9 8p m 波长范围 3 4 】。其电光效应和载流子注入效应， 以及高的载流子迁移率又令其可以用来研制高速光调制器和光开关 3 6 - 3 8 】。可 以说，化合物半导体材料具有非常卓越的性质，且制作方法兼容于集成光学平面 工艺，在军事领域和空间技术领域发挥了很大的作用。它最大的缺点在于成本昂 贵，不利于商业普及。 图1 7 ( a ) i n p 集成芯片，包括激光器和10 g b it p s 的调制器 ( b ) 使用了阵列相移器的1 5 光开关阵列 ( 5 ) 硅【3 9 - 4 2 ： 硅也是一种高折射率( n = 3 4 5 ) 的材料，易于制作紧凑的无源器件，且在通 信波段( 1 2 n 1 ) 透明。同时它是地球上含量第二多的化学元素【4 2 】，来源广 泛，成本低廉。在微电子领域起了不可替代的作用，并已经具有非常成熟的产品 工艺线。但它的有源光学性质并不突出：作为一种间接带隙的半导体材料，很难 实现发光；中心对称晶体结构又使它不具备线性电光效应，无法实现高速直接电 光调制；热光效应速度相对较慢，因此一直以来都没有引起足够的重视。真正的 发展是最近5 - 1 0 年的事情，由于人们希望能够借助于微电子成熟的工艺线，甚 至与现有的微电子器件相集成，投入了很多科研力量，取得了相当多的突破和成 果，例如利用载流子色散性质实现调制功能等等，将在接下来的内容中详细介绍。 它已经被公认为未来最具有发展潜力的集成光学材料。 ( 6 ) 其他 4 3 ，4 4 】： ! 第一章绪论 此外，用于集成光学器件的还有i v 族元素锗、具有二阶电光效应的液晶、以 及铁电陶瓷p l z t ( 掺镧锆钛酸铅，通式为p b l 一，l a 。( z r ，t i l - y ) l - x 4 0 3 ) 等等，各有 其优势和不足。 1 3 硅基光子学和混合集成的研究现状 1 3 1 硅基光子学 硅作为集成光学材料的研究源于上个世纪8 0 年代，但由于对其物理性质认 识不足，进展一直比较缓慢。直到最近5 - 1 0 年其研究才得以爆发式增长，一个 很重要的原因是微电子芯片巨头：如i n t e l 、i b m 、n t t 等公司的大力推动。在过 去的一个世纪，超过9 5 的半导体芯片都是用硅来制作的，在第三次工业革命中 发挥了举足轻重的作用。正如著名的m o o r e 定律【4 6 】所预言的，集成电路的晶体 管数量每1 8 个月翻一番，电路复杂度也随之逐年递增。预计未来几年内芯片上 互连线密度将达到2 0 k m c m 2 ，金属层将达到1 2 层【4 7 】，如图1 8 所示。其电感、 电容效应将引入信号传输延迟，并使带宽受限，无法进一步满足大数据量和超高 速的通信与计算机需要。因此这些公司希望能同样利用硅材料，通过光互连来解 决这一瓶颈。使用硅作为集成光学材料主要有以下几个好处 4 7 】：( 1 ) 来源广泛， 易于处理，机械和热适应性强；( 2 ) 表面可自然氧化为二氧化硅，起到钝化和掩 膜的作用；( 3 ) 可以利用已经非常成熟的微电子c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m e c o n d u c t o r ，互补金属氧化物半导体) 工艺线，硅光子线单模光斑尺 寸约0 5 0 2 “m 2 ，而微电子工艺线已经达到3 2 n m 线宽，完全可以满足制作需 要；( 4 ) 微电子产业向大晶圆和晶体管小型化方向发展，大大降低了单一器件的 成本；( 5 ) 避免了铜线连接的短接和电感、电容效应；( 6 ) 支持与现有微电子器 件的集成 6 ( a ) 圈厘 ( b ) 图1 8 ( a ) m o o r e 定律【4 5 】( b ) 集成电路复杂的金属层及互连线【4 8 】 浙江大学博： 二学位论文 但是发展硅光器件面临着很多挑战，最重要的两个原因在于：( 1 ) 硅是间接 带隙半导体材料，相对于g a a s 等直接带隙材料来说，发光效率很低；( 2 ) 硅是 中心对称晶体，没有线性电光效应( p o c k e l s 效应) ，无法对光进行高速直接电 光调制，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 硅材料在通信波长处的调制物理效应 8 】 物胛效啦系数特，x f i | l l 拔漉于色敫d l u d el l 烈l e l两逯，伴随撷托缩叛无父 f 伯n z k e l d y 妯( f 1 - 吸收)1 0 4 2 、1 0 v c m 波长偏振镁咳赖 一 墅望望翌竺 塾三! 鱼! 望兰鱼受 丝篓墼鳖：! 垒三! ! ：! 坐：兰! ! ! ! ! 塑! 竺丝! 童 t p a5 0 l d o 4 0 9 c m j g w 波长( 1 7 l l nh t 锰活 可喜的是，通过几年的努力，硅光器件的发展已经取得了长足的进步，目前 几乎所有的光电子器件都可以在硅材料上实现，包括无源光波导【5 2 - 5 4 】、光源 和放大器【5 5 - 6 2 】、调制器和光开关【4 9 ，6 3 - 6 5 】、光探测器【6 6 】，甚至光缓存和 慢光器件【6 7 】等等，为未来的硅基单片集成提供了可能。 目前硅材料中应用最多的当属s o i ( s i i i c o n - o n - i n s u l a t o r ，绝缘体上的硅) 结构。二氧化硅缓冲层可以有效防止顶层硅中的光场向衬底的泄露，并且极大的 折射率差使光场能够限制在很小的空间。典型的单模波导尺寸仅为0 5 0 2p m 2 ，弯曲半径小到1 “m 【5 2 】，其器件密度甚至可以达到1 0 0 0 0 个c m 2 。采用这种 结构，器件的尺寸可以非常紧凑，并完全兼容于c m o s 工艺其他诸如多晶硅 ( p o l y s i ) ，无定形硅( a - s i ) 的引入可以使制作工艺更加灵活，当然需要以一 定的损耗为代价 5 3 ，5 4 】 在有源器件方面，2 0 0 5 年，i n t e l 公司的h r o n g 小组基于r a m a n 效应制作 出了世界上第一台兼容于c m o s 工艺的连续波全硅激光器【5 5 】。之后他们又在 n a t u r ep h o t o n i c s 杂志上发表了一系列相关文章【5 6 - 5 8 】，在1 5 5 0 n m 泵浦下可 输出光功率 5 m w ，带宽 2 5 m h z 。此外，其他小组还报道了采用硅纳晶【5 7 】、超 晶格结构 6 0 】、铒掺杂【6 1 】、s i g e 量子阱【6 2 】等方法实现的硅基发光和光放大。 7 第一章绪 论 | l 型 ：0 - 彪：! 一 毒菌三 | i| ； j ii i 图1 9i n t e l 公司基于r a m a n 效应全硅激光器的研究进展【5 5 - 5 8 】 从表1 - 1 中可以看到，硅材料的热光系数较大，因此最早的硅调制器和光开 关大都是基于热光效应的。其优势在于没有伴随的附加损耗，缺点是速度慢，目 前最快的热光开关报道也只到亚微秒量级【4 9 】。而由于没有p o c k e ls 效应，硅的 电光调制一般是利用载流子色散原理【5 1 】来实现的，其调制速度已经可以达到 4 0 g b i t s 【6 3 、6 4 】但载流子色散效应在改变折射率实部的同时，不可避免地会 引入吸收损耗，严重影响了器件消光比的进一步提高 6 5 】 图1 1 04 0 g b i t s 的硅基光调制器【6 3 、6 4 】 1 3 2 混合集成 虽然全硅器件已经可以实现几乎所有功能，但是它在通信波长的光源和探测 器仍然远远无法与昂贵的i i i - v 族化合物半导体材料相比。另一方面，以硅材料 为集成平台不但是商业发展的最佳选择，其优越性能也得到了科学家们的一致认 可。因此，如果能在硅平台上集成其他材料的器件，不仅可以实现优势互补，同 时可以大大降低生产成本【6 8 】。事实上，混合集成不仅仅是无源光器件与有源光 器件的集成，还包括了与电子器件的集成，如图1 1 1 ： 浙江大学博：l ：学位论文 勰彩厶上l j 弓缪 呐矽r 一一。一缨 撼镌| s h 啪粒渤碰姚泓龇删如龇妒 ( a )( b ) 图1 1 1 ( a ) 3 d 集成愿景，i m e c 6 9 】 ( b ) 世界上第一台电驱动混合硅激光器，i n t e l & u c s b 【7 0 】 已报道的集成方法主要有以下几种，见表卜2 ： 表1 - 2 各种集成方法的比较【1 】 p r o p e r l yf l 驴c h i pe p i l a x i a l a n o d i cd l 弹c ta d h e s t e eg l a s s | f i tm n a l l i c v e r s a t i l i “， v e r y g o o dp o o rp o o rv e t yg o o dv 吖8 0 0 dv e 碍g o o dv e 哆g o o d f a r l i d es e n s i t i v i t y l o wm e d i u mm e d i u m v e r y h i g l l m e d i u ml o w m g h s u r f a c er o u g h a e - , s 鞠溉 l o wl o wl o w v e r y h i 曲 l o wl o w l m v b o n d i n gt e t “p e n t u 砖 l o w h i g t lh 衲 l o wl o w 嚏! d i u ml o w i e f m e t i cs e a in o懈v 酷 y e s 懈 y e s f , u b s t r a i es e p a r a t i o n 弘m r a n g e n o l 馋n o n e l n m 1 p m2 0 n n _ 5 0 “m 2 0 “m0 1 i ；e wp m t h e r m a lc o n d u c t i v i l y h i g hh i g hh i g hh ；曲 l o wl o w h i g h o l a i c a lt r a n s p a m a o y y e s y e s懈 y 璐y 雠 憾 c o s l h i g hh i g h l o wm o d i u m l o w i o wl o w 其中以聚合物b c b 粘连的“a d h e s i v e ”方法各方面性能最为优越，这方面的研究 以比利时根特大学的b a e t s 教授小组为代表 3 0 】。它直接将成熟的i i i - v 族有源 器件粘连到硅平台，通过合适的耦合机制使光能够有效地传导，具有制作容易， 兼容性好，对表面平整度要求较低，成本低廉的特点；但也存