（微电子学与固体电子学专业论文）集成化可变光学衰减器的研究.pdf

摘要 随着对光通信容量需求的快速增长，波分复用系统( w d m ) 是卖现 光通讯容量扩展的最好方法之一。可变光学衰减器( v o a ) 是波分复用 系统的关键器件之一。 本文分析了集成化可变光学衰减器的_ t - 作原理、工艺制作和测试技 术。在分析y 分支和多模干涉器型( m m i ) 的光学衰减器结构的基础上， 采用脊形波导结构制作了m m i 结构的可变光学衰减器，并对硅的刻蚀技 术进行了研究和探讨，最后对制得的器件进行了测试研究。 经过测试，器件的技术指标比较理想：器件能够实现单模传输；插 入损耗比较低；衰减范围比较失；能在较大的温度范围内3 - 作。 合器 关键词：光通信波分复用可变光学衰减器单模多模干涉耦 a b s t r a c t a st h ed e m a n df o rt h e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y i s m a k i n g r a p i dp r o g r e s s ，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 i so n eo ft h eb e s t s o l u t i o n st os o l v et h i sp r o b l e m v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o ri so n eo ft h e k e y d e v i c e si nw a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs y s t e m s t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e p r i n c i p a lt h e o r y 、p r o c e s s a n dt e s t t e c h n o l o g yo f v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e st h e y - j u n c t i o n a n dm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c es t r u c t u r eo fv a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r w eh a df a b r i c a t e dt h ev a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o ro fm m i s t r u c t u r ew i t hr i d g ew a v e - g u i d es t r u c t u r ea n da l s os t u d i e dt h er e a c t i v e i r o ne t c h i n go fs i l i c o n ，a tl a s t ，w et e s t e dt h ev a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r a n dd r a ws o m ec o n c l u s i o n s a f t e r t e s t i n g ，w e c a r td r a wac o n c l u s i o nt h a tt h e t e c h n o l o g y p a r a m e t e ro f t h ed e v i c ei si d e a l f i r s t t h ed e v i c ec a nt r a n s m i tw i t hs i n g l e m o d e s e c o n d ，t h ei n s e r t i o nl o s si sl o w t h i r d 。t h ea t t e n u a t o rr a n g ei sb i g ， a tl a s t ，t h ed e v i c ec a nw o r kw e l li na l a r g et e m p e r a t u r er a n g e k e y w o r d s ： m u l t i p l e x i n g i n t e r f e r e n e e s o p t i c a l c o m m u n a t i o n w a v e l e n g t h d i v i s i o n v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r s i n g l em o d em u l t i m o d e 1 1 全光通信的发展 第一章绪论 在6 0 年代后期，随着室温下运行g a a s 半导体激光器和低损耗光 纤的研制成功，全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。在1 9 7 8 年工 作于o 8 t i n 的第一代光波系统正式投入商业应用。现在光通信和网络已 经在世界范围内无处不在，它们被用于传输、路由、分配和发送各个不 同类型的信号，如语言、视频、数据等【ij 。 随着科学技术的迅猛发展，通信謇量以前所未有的速度增加，通信 数据业务迅猛增长，人们对带宽的需求越来越大。对带宽需求的迅速增 加要求对通信网络的传输容量增加。多信道光通信系统可以充分利用光 纤的频带资源，提高光波系统的通信容量，在单根光纤中有三种多路信 号复用的方案 2 1 ：时分复用( t d m ) 、频分复用( f d m ) 和波分复用 ( w d m ) 。对于t d m ，是将不同信道的信号交替排列纽合成复合比特 流。对于f d m ，是将信道在频域分区为若干个信道，每个信号由各自的 载波携带，载波频率的间隔应超过信号带宽，防止信号频谱重叠引起串 话。波分复用( w d m ) 是将不同波长的光信号混合在一起进行传榆，波 分复用( w d m ) 由于其众多的优点，现在已成为研究的前沿和热点之一。 1 波分复用技术 波分复用技术是利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽，将不同波长 的光信号混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信 号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同的数据格 式。波分复用技术是将一根光纤当作多根光纤束使用的十分有效的扩容 方式。 渡分复用系统的主要优点是： ( 1 ) 充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，降低成本。 ( 2 ) 可以在同一根光纤中用不同波长传榆不同类型的信号，有利于 数字信号和模拟信号扣兼容。 ( 3 ) 可以用单根光纤实现双向通信。 ( 4 ) 对已经建成的光纤通信系统，只需要原系统的功率富余度较大， 可以进一步增容而不必对原系统做大的改动。 如图11 所示，波分复用系统主要有五个部分组成：窄线宽光源、 光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。要实现w d m 通 信系统，需要关分插复用( o a d m ) 和光交叉互连( o x c ) 等技术相结 合，形成一个光层网络。在w d m 系统中要解决下面的一些问题：窄线 宽、波长稳定的光源；具有宽的带宽和增益均衡的光放大技术；光波复 用与解复用的技术；克服色散的技术；接点技术；网络管理技术等。 图1 1 波分复用系统结构框图 2 光通信系统中的光衰减器 在光网络中，复用在一起传输的光信号传输一段距离后，由于 e d f a 、光开关和光滤波器等器件对各波长的响应略有不同，它们的功率 就可能不同。此外从本地节点上路的光信号与其它光信号传输了不同距 离。从而有不同的光功率的一些信号复用在一起。不同功率的波长信号 经级联的e d f a 系统后，某些波长的功率将可能进一步降低，使该信道 性能恶化。此外由于光网络的上下话路、网络恢复等原因，使进入节点 的各含波长通道的光功率也存在差异，由于光信号要经历多个节点和通 路各个波长通道之间的光功率差异产生累计，导致各个光信道的信噪 比不一致，使得系统服务质量受到影响。因此在光网络中有必要在节点 对各个波长的光功率进行均衡以保证通信质量。 光网络中通道的不均衡性可严重恶化网络性能，因此通道的均衡性 是光网络性能好坏的重要依据。目前提出了许多均衡方案，如衰减器调 谐方案、m z 滤波器、f - p 滤波器调谐方案等。图1 2 是利用衰减法实现 功率均衡的原理框图。 解复用耦合 图1 2 功率均衡原理框图 输出 众所周知掺饵光纤放大器( e d f a ) 在w d m 系统中起着重要的作 用，然而e d f a 存在着增益谱的不平坦性，它对不同波长的光产生的增 益不同。在e d f a 级联的w d m 系统中，这种增益不平坦( 不同) 的特 性严重影响系统的性能，衰减法实现增益均衡的原理是：用解复用器把 各波长的信号分开，分别对不同波长的信号进行不同的衰减，使增益大 的波长对应于大的衰减，这就是实现增益均衡的原理。 此外光衰减器还可用于光通信系统的评估、研究及调整、校正等方 面。图1 3 是光率减器在光器件计量系统中的应用。 图1 3 光衰减器在光器件计量系统中的应用 i 2 光衰减器发展概述 通信中对光衰减器性能的要求是；( 1 ) 低的插入损耗；( 2 ) 高的 回波损耗：( 3 ) 低的偏振相关损耗；【4 ) 犬的可调范围；( 5 ) 高的衰 减精度( 6 ) 快响应速度；( 7 ) 器件体积小，环境性能好。 光衰减器是光通信中发展最早的无源器件之一| j 】。早在7 0 年代中 期，一些光通信水平较高的国家就开始了对这一器件的研究。到目前为 止，光衰减器已形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能式光衰 减器四种系列。按光衰减器的工作原理，可将衰减器分为： 光衰减器 衰减器 型光衰减器 光衰减器 衰减器 为了适应不断增长的光纤通信容量的需求，特别是在d w d m 系统 中，光学衰减器是不可缺少的器件之一。为了适应d w d m 系统的需要， 近年研究主要集中在体积更小、性能更高的多通道可变衰减器。国外的 公司如英国的b o o k h a m 公司，日本的n t t 都在开展研究，其中n t t 已 经有八通道的可变光学衰减器产品。 光学衰减器的种类很多，应用的材料也很多。由于硅的制作工艺比 较成熟，因此硅基光电子一直受到人们的重视 4 1 。随着s o l ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 材料的出现及制作工艺的不断完善。硅基光波导 的研究逐渐转到s 0 1 光波导上。s o l 光波导的损耗已经达到小于 0 1 d b c m ，与s i 0 2 相当。 热光型光衰减器和电光型光衰减器均为波导型光衰减器。热光型光 衰减器利用波导材料的热光效应实现折射率的调制，硅材料具有大的热 光系数和导热系数，k = 1 3 p m 时勘0 t = 2 1 0 一k 。电光型光衰减器有 两种效应：直接电光效应和间接电光效应。直接电光效应利用材料的 p o c k e l s 效应或f r a n z k e l d y s h 效应通过光场来改变材料的折射率。硅材 料的间接电光效应一般是指在硅材料中，利用硅材料的等离子色散效应， 通过注入电流来实现折射率的调制。 第二章s o i 光波导材料与脊形光波导 2 1 s o l 光波导材料 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 材料是一种非常实用的材料，它的制作 工艺与微电子工艺兼容，材料成本低，具有广泛的应用前景。s o l 是硅 基集成光电子的一种重要材料，它是硅基集成光电子如硅基光开关、探 测器的基础i l i l 2 1 。 制造s o i 的技术很多，适用于光电子器件的s 0 1 材料的制造技术 主要有四种：( 1 ) s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ：注氧隔离) s o l 技术： ( 2 ) b a n d i n g ( w a f e rb o n d i n ga n de t c h - b a c k ：硅片键合) s o l 技术： ( 3 ) e l o ( e p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ：外延横向生长) s o i 技 术：( 4 ) z m r ( z o n e m e l t i n gr e c r y s t a l l i z a t i o n ：区熔再结晶) s 0 1 技术。 1 s i m o x s o i 技术 氧离子注入( s i m o x ) 形成s o i 结构的原理非常简单，既把氧离 子注入到硅片表面下并形成s i 0 2 埋层，所用的工艺条件应保证氧化物上 面有一层硅。为在硅中形成s i 0 2 埋层通常使用高能量o + ( 1 5 0 3 0 0 k e v ) 注入到衬底中，0 + 的剂量一般是1 8 x 1 0 1 8 1 c m 2 ，这比微电子工艺中的最高 剂量高2 0 0 5 0 0 倍。注入以后样品在1 1 5 0 。c 时退火两小时，就形成了s o l 结构。 氧注入得到的s i m o x 材料的形貌和质量与氧的剂量和注入过程中 硅片的温度有关。实验结果表明，为了获得连续的氧化物埋层必须注入 的氧的剂量是1 4 x 1 0 13 c m 2 ，大多数人采用的标准剂量是1 8 x l o l s c m 2 。 进一步增加剂量，s i 0 2 层变厚。但当非常大剂量的氧注入到硅片中时， 由于形成s i o ：的体积大于为形成s i o ：所消耗的硅的体积，因此引起硅片 的膨胀。另外，当注入剂量超过1o ”c m2 时，还观察到顶部硅被溅射。注 入时衬底温度也是一个重要参数，它会影响硕部硅层的质量。氧注入会 使射程范围之内的硅非晶化，如果在注入过程中硅片温度太低，顶部硅 就余完全l 晶化，经遁火虢形成多螽硅。而盏更毫温度下注入( 7 0 0 8 0 0 ) 时，靠近顶部硅层的下界面处会形成氧化物沉淀。最常用的离子注 入温度范围在60 0 - 6 50 之间。 氧离子注入完成后，为形成符和嚣件要求的s i m o x 结构还需对样品 作退化处理，一般而富，避火温度忿高材料愈好。目前标准工艺是罔多 鑫礁管或炭纯硅管鼹遥火炉，在l 3 0 0 - 13 5 0 温度范蓬南逐欠6 ，l 、时。 退欠通常是在舍有2 氧的氯气中进行的，氮的存在会使硅层表薅生长一 层氢化硅，以防止在高温纯氮气是硅表面出现凹坑。退火后的样品在用 c v d 方法生长一定厚度的s i ，既得到s i m o x - - s o i 结构。 2 b o n d i n g s o i 技术 键合和反面腐蚀技术的原理十分麓单：两个被氧化砖片予“粘合” 或德合在一起，然后，将其中一个硅片抛光或腐蚀到适合s o i 器件应用 的厚度，另一个硅片则作为机械衬底。 誊两个平坦的具有密水性的表面 如被氯化的硅片) 相对放罴在一 起时，蹿捷在室温下亦会巍然发生键合。一般认为，缝合是鸯吸瓣虞秘 令表薅上的羟基霞( o h ) + 秘柱互啜；| 所；| 起的，该吸；l 相当大，致使跨 过两个硅片之间的间隙立刻形成氢键。为增加键合强度，通常囊温键合 后还鼹进行退火，键合强度随退火温度增加雨增加，不同温度下发生的 增强键合作用可分为三个阶段。第一阶段：焱嚣团之同键合：第二阶段： 在3 左右氢建开始被s i - 0 - s i 键代替；第三玲段：在更高温度( 11 0 0 或更簿) 下，氢纯景麓瓣洚流使片子完会“焊接”在一起。 键合后的硅片经精密机械切割或粗磨詹将s i 0 2 上的硅厚度磨到十 几微米厚，然后采用化学腐蚀的自动终止拔术和电化学腐蚀的自动停止 技术械薄至所需求的厚皮。 3 e l o s o i e 技寒 外延横向过生长技术楚指硅从籽晶区窗龆向s i 0 2 岛或覆蕊器件的 绝缘艨上横向外延生长，用常压或减压的外延反应室均可以实现这种过 生长。e l o 典型的样品制备过程如下：先在( 1 0 0 ) 硅片上生长一层s i 0 2 ， 并在上面刻出籽晶区窗口，窗口边缘应沿着【0 1 0 ) 方向，将清洗之后的 硅片放入外延室中做高温氧化烘烤以去除窗口处的自然氧化物，外延生 长是在s i h 2 c 1 2 + h 2 + h c i 混合气体中进行。在横向生长过程中，s i 0 2 上会 出现随机取向的硅小晶核，妨碍横向外延生长，采用在线的h c l 腐蚀可 将这些小晶粒去掉。工艺上通常采用生长腐蚀再生长再腐 蚀这样的步骤m 序，直到s i 0 2 层全部被外延单晶硅覆盖。 e l o 膜生长以后，应用抛光方法使其减薄以获得符和器件要求的薄 s o i 膜 4 z n i r s 0 1 技术 z m r s o i 基本原理是用非相干光源( 可见光或红外光) ，熔融s i 0 2 上的多晶硅，使其再结晶形成单晶。制作过程是：在硅片生长l 一2 t m 的 s i 0 2 层，用l p c v d 方法淀积0 5 p m 厚的非晶硅或多晶硅层，再在上面 覆盖2 b u n 的s i 0 2 在沉积一层s i 3 n 4 ，然后用加热石墨条扫描样品，扫描 过程中，石墨条使样品的非晶硅或多晶硅熔融，再结晶而形成单晶硅。 整个过程在真空中进行。 2 2 s o i 脊形光波导 由于二维波导只在一个方向上对光场有限制作用，存在着横向散 射，用它制作的波导器件，其作用受到限制。为此发展了三维介质波导 一条形波导条形波导是光波导耦合器，电光调制开关及激光器等无源 和有源器件的基础。条形波导按横截面结构来分有凸条形、掩埋形、脊 形和条载形等。由于s i 的折射率比s i 0 2 大的多，要在s o i 平面波导结 构中传导基模光波，波导层的厚度应小于o 2 1 t m ，这与单模光纤芯径 ( 9 ”m ) 严重失配，这就使光纤和波导的耦合效率极底。三维脊形波导 引入水平方向的小的折射率，可以实现大截面尺寸s o i 波导的单模传输， 截面尺寸可于单模光纤的芯径相匹配，这样就大大的提高了波导与光纤 的耦合效率。 1 硅脊形波导 脊形波导通常有两种形式，一种是矩形截面，如图2 1 ( a ) 所示； 一种是梯形截面，如图2 1 ( b ) 所示。实际上图( a ) 是图( b ) 的一种 特剜。 ( a )图21 脊形波导截面图( b ) ( a ) 矩形截面( b ) 梯形截面 脊形波导模式特性的精确求解比较困难，本征方程的解不能用解析 表达示表示，目前主要用近似方法求解本征方程的数值解。在算法上主 要采用束传播法( b p m b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ) 、有限差分法、有限 元法、等效折射率法等。有效折射率法1 3 1 ( e l m ) 由于算法简单，结果较 为精确，是一种有效的计算方法 有效折射率方法计算脊形波导如图2 3 所示。其中n l 是y 方向厚度为d l ， 折射率为n 3 ，1 1 l 和n 2 的三层平板波导的有效折射率；n 2 是y 方向厚度为 d 2 ，折射率分布为n 3 ，n l 和r 1 2 平板波导的有效折射率这样我们可以用 平板波导的本征值方程求解n l ，n 2 。 平板波导本征方程为“1 ： t g ( h d ) ：掣 ( 2 1 ) n p q 对于t e 模有： h 2 = 一2 + 碲? ? p 2 = 2 一睬h ； q 2 = 2 一碍口； 公式中d 为芯层厚度k o = 2 州九为真空中的波数。将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 中通过数值计算即可以得到不同芯层厚度波导各模式的传播常数p 和有 效折射率n 。波导等效为图23 ( a ) 后，用同样的方法可计算侧向光场 分布和波导的最终有效折射率。 z + 卜一。：l x 图2 _ 3 有效折射率法的示意图 ( a ) 脊形波导等效折射率分布( b1 脊形波导截面图 对于t m 模本征值方程： 辔( 榭) ：靼 ( 2 3 ) 式中： 芦= f 旦ip l ”2 7(24)2 ，、 、。7 弘引a 采用这种方法可分别求得传播常数8 和有效折率。 对于选定的芯层和包层材料，单模波导的条件是选择芯层的厚度d ，使 得归一化频率其高于基模的截止条件值并低于一阶模的截止值，即： 州斜i 忏2 i 2 l ，2 2 p m ) ，当埋 层厚度大于0 4 1 a m 时基模向衬底的泄露可以忽略。 2 第三章s o l 光学衰减器模型 波导型光学衰减器是集成光学中的重要器件，也是d w d m 通讯系 统的重要组成部分。波导型光学衰减器的结构有很多种，比较典型的一 种是马赫一曾德仪结构( m a c h - - z e h n d e ri n t e r f e r e n e e ，m z i ) 。y 分支 m z i 结构为较常用的调制器结构2 】1 3 l i 。多模干涉耦合器( m u l t i m o d e i n t e r f e r e n c e ，m m i ) 由于其结构紧凑，制作容易，而且还具有带宽宽、 偏振不敏感、容易实现大规模集成等特点。采用它作为新型的耦合器和 分束器越来越受到人们的重视。s o i 光波导的折射率调制一般利用硅的 热光效应和硅的等离子色散效应。本章在分析y 分支m z i 调制器结构和 m 卜1 1 工作原理的基础上分析这两种折射率调制模型并给出这两种调制 方式的基本结构。 3 1 y 分支马赫一曾德光学衰减器模型 马赫一曾德( m a c h z e h n d e r ) 干涉型调制器是一种典型的通过相 位差来调制强度的器件，l i n b o ，和化合物半导体等材料制作的m z 型干涉 调制器已被广泛应用于光通信系统中进行光信号调制1 5 j i “。下面给出y 分 支m z 光调制器的基本功作原理。 y 分支m z 干涉型调制器的工作原理如图3 1 所示。这种器件是由 两个平行偏振的调相波合成而实现调制功能的。由两个y 分支和两个相 移臂组成。两个相移臂的长度相等。 图3 1 y 分支m z 调制器结构 若一振幅为a 的t e o 偏振光由单模波导输入，则y 分支器将光分 配为两个相等的光束，并沿着两平行臂传播。如果两平行臂完全对称， 有源嚣不王馋时，分路竞束在输奎y 分支器内雪新舍或而产生最低盼模， 由单模波导输出。 筹这一振幅为a 的t e 偏振光被分成等功率的两柬光并分别传输通 过两个相位调制器，则两个调相波可表示为： z 鞲嚣j ” 列c 。s ： 华1 咄。：f 竽1 k = 巨e 则警，+ g e x 卧；等) 。， = 互警+ 瓜c o s ( a 妨 ( ，。) 。：华+ 瓜 ( 3 5 ) = 洗= 精 2 器件的调制深度为 1 4 绞 吼水水 ! 压厄 吁= 半= 尚s i n 2c 等， 32 多模干涉耦合器型光学衰减器模型 近年来多模干涉耦合器【7 j 【8 1 1 9 1 1 叫1 1 tm m i ) 在集成光学中的应用引 起了人们越来越大的兴趣。多模干涉耦合器相对于其它耦合器件如y ( x ) 型分束器、定向耦合器件、衍射星型耦舍器件等有优越的性能( 如对入 射光的波长偏振不敏感，结构简单同时有较大的工艺容差等) ，采用m m i 最直接的应用是分束器、并以此为单元可以构成m z i 干涉仪、光波分复 用器等。 多模干涉耦合器的基本工作原理是基于多模波导的自映像现象 1 2 1 1 ”1 。在多模波导中，多个导波模相互干涉，结果沿着波的传播方向， 在周期性的间隔处出现输入场的一个或几个复制的映像，这就是多模波 导的自映像。利用多模波导中的这种自映像原理可以将一束输入光耦合 到多个输出波导中，形成光耦合器；或者多束输入光输入到多模波导中， 各自形成多个自映像，由于这些自映像的不同相位关系，它们相互干涉， 使光场输出到一个输出波导中，形成光和束器。改变各输入光场的相位 关系可使光场输出到特定的输出波导，这样可实现光开光或波分复用的 功能：或由于输入光场的不同相位关系使输出按特定的分光比输出到输 出波导中，形成分光比可调的分束器。 1 基本原理 图3 1 2 是普通多模干涉耦合器的示意图，它由输入单模波导、多模 波导区和输出单模波导区三部分组成，多模波导区是它的主体部分，通 常导模数大于三。我们用导模传输的方法( g u i d e - m o d ep r o p a g a t i o n a n a l y s i s ，m p a ) 分析多模波导中的自映像。 自映像存在于三维多模波导中，然而在实际的三维脊形多模波导 中，水平方向的尺寸比垂直方向大很多，可以认为在垂直方向上光场传 输行为是一样的，因此在分析三维脊形多模波导中各导模的相互干涉可 以用有效折射率方法将三维波导化为二维波导，如图3 3 所示 l n p u t1 j 2 l 3 in l _ _ j l 图3 2 普通n x m 多模干涉耦合器的结构图 图3 3 三维多模波导的二维简化 o u t p u t i _ 一 在图3 3 中w 为多模波导的宽度，1 3 ，为多模波导区的有效折射率， n 。为包层的有效折射率。多模波导中的导模数为m ，7 = 0 ，1 ，( m 1 ) 为多模波导中的导模，自由空间光波长为九。根据色散方程可得水平方向 的波数k 。与多模波导的传播常数艮间的关3 - ： k + 房= k i n j ( 3 8 ) 荨半 = i i “ 式 、为考虑到o o o s - - h a h n c h e n 展宽后多模波导的有效宽度。由于不 同导模的g o o s - - h a h n c h e n 展宽不同，因此有效宽度不同，一般可用基模 的有效宽度近似各导模的有效宽度。多模波导的有效宽度可表示为： ，- 。，+ = 心= + ( 争) ( 薏 二。b j 一，c y 。_ ) c ，。， 其中对于t e 模g = o ，t m 模6 = l 。 由于女f ； j ，由式( 3 8 ) 和( 39 ) 可得： 卢嘟，一等笋 定义l 。为0 阶模和一阶模的共振长度： l 口：! 。4 n 2 , v z( 3 1 2 ) $ 。一p i3 a q 由此可得： 阽吣警 2 导模传输分析方法 ( 3 1 3 ) 设多模波导在z = o 处的输入光场为f ( x , o ) ，输入光场在多模波导 中激发各阶导模，输入光场可分解为多模波导中的所有导模场： f ( x ，o ) = c ，竹( x ) ( 3 1 4 ) ， 式中吼( x ) 为y 阶导模的传递函数，q 为y 阶导模的场振幅。 在多模波导中沿光场传输的任意z 处多模波导中的光场为各导模的叠 力口： y ( x , z ) ：艺巳竹( 咖。p 咖卜岛：) 】 ( 3 1 6 ) y = 0 以基模相位为基准，则上式可改写为： f ( 邵) = c ，吩( x ) e x p j ( f l 。一岛) 二】 ( 31 7 ) 7 = 0 将( 3 13 ) 代入( 3 17 ) 式，则得到任意z = i 处的多模波导的光场分布： f ( x ，) = 萋。哆( x ) e x p f 兰铲j ( 3 18 ) 从( 3 1 8 ) 式可以看出，多模波导中任意处的光场分布由各导模的 振幅和相位因子决定。根据不同的情况，可将多模干涉分为三种：普通 干涉、配对干涉和受限干涉。 ( 1 ) 普通干涉( g e n e r a li n t e r e f e r e n c e ) 耦合器 考察( 3 18 ) 式，假设多模波导的长度为o s l ： l 二p ( 3 l 。) p = o ，l ，2 。 ( 3 1 9 ) 此时( 3 1 9 ) 式中的相位因子项e x p - ，丛每乏鲨上i = 1 或者卜i ) 7 。p 为 偶数时相位因子为l 说明多模波导中所有导模相对相位变化为2 ，此时 输出光场为输入场的直接复制，在多模波导的输出端形成输入光场的直 接单一映像。当p 为奇数时，奇模和偶模的相对相位变化为7 c 的奇数倍和 偶数倍。这时偶阶数是同相的，而奇阶数是反相的。由于奇阶模的奇对 称性，干涉的结果在输出端形成于输入光场关于x = 0 对称的单一镜相映 像。 考虑输出对映像的情况。假设多模波导的长度为： 碍= 等( 3 l ) ( 3 2 0 ) 式中n 为映像的个数，p 为与n 不相约的任意整数。此时我们将坐标原 点设于多模波导的侧面，将多模波导及输入光场以x = 0 点反对称扩展， 然后以2 为周期在整个x 轴进行傅立叶展宽可设各本征模为正弦类 函数 妒，0 ) = s i n ( k ，, x ) 则输入光场可傅立叶分解为 ( 3 2 1 ) 蹦x ，o ) = c ，哆( r ) 式中： f ，= 三f f o ) 掺凼 每l r ，处的光场分布为： f 【t 碍) = c r t p 廖) e x p ( 一坞= ) = c r 一，竹( x ) a r = e x p 一j p o “, , s 哪与r + 2 ) 】 经数拳运算，上式可改写为： f b ，壕) = 芝瓦0 _ ，o ) e x p 溉) ( 3 ，2 2 ) 她洲x q = ( 2 q 阳- n ) 移p c 为归一化常数，盼瓜 州诋碍埘景，篓唧l 景q ( n - q ) n n 普通多模干涉耦合器输入光场的相对相位荧系为 热2 素。一联2 + f - - s ) + 万 f + s 为偶数 f3 。2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 1 丸= 焉o + s x 2 n - - r - - s + 1 ) r + s 为奇数 3 2 8 ( 2 ) 配对干涉 由示( 3 18 ) 可看到，若y ( 7 + 2 ) 可以被3 整除，则器件的尺寸可 以绽毒耍三辔，既褒： e = p ( 厶) p = 0 ，1 ，2 。 ( 3 2 9 ) 时就可以在多模波导戆徐盔蛾缮到单一的壹摇或镜穗姨溶。蕊徉，当多 9 搂淀导的长度为三。导t ) 对就可以缮到n 拿输出映海。 v 耋俘2 。5 ，8 对筑有 m o d 3 p 驴+ 2 ) j = 0 ( 3 3 0 ) 因此若输入竞场在多模波导中不激发模玲数为- t = 2 ，5 ，8 的导模，则 ( 33 0 ) 式就可以得到满足。在满足选择激发关系式( 3 3 0 ) 时，多模波 导中的干涉导模是戍对出观的，既o l ，3 4 ，6 7 导校是配对地发 生干涉。在l 。忿处，偶除模和奇玲模相美为育尼，而在k 她的相麓为， 因此这种干涉称为配对于涉。 ( 3 ) 对穆午涉 对称干涉鹩合器申，输入波导位于多模浚导的串心， 这样输入偶对称场在多模波导中申激励起偶阶模，于是有： r o o d4 + 2 ) 】= 0( 3 , 3 i ) 此时多模波导中各导模间的相位周期缩短凹倍。幽式( 3 1 8 ) ，当满足 ( 3 3 i ) 式聍，多模波导在长度为： k 0 等) 。：， 时就可以得到单一的输出映像，此时映像为多模波导中几个偶对称模的 遮加。耋： ：卫f 半1 ( 3 3 3 ) n l4j 时在多模波导末端可得到n 个输出映像。 i x n 时称于渗辐合嚣的输入输出先场之问的相位关系为： 识= 号。一1 x 一s ) ( 3 _ 3 4 ) s = t ，2 3 n 为多横波导的输垂映像序数 3 3s o i 波导光学衰减器豹辑射率调糊摸鳖 暂射睾调剞楚波导型器件的工馋基础。不同的糖裂零调割形式决定 了器件的许多基本特性如功耗、响应时间和器件尺寸等。折射率调制通 常有热光型、等离予色散型寿电光型。对于s o 波导型器传，由于聩的 中心反演对称性，硅的直接电光效应非常弱，因此s o l 波导器件通常用 硅的热光效应或等离子色散效应来实现折射率的调制。下萄分剐氽绍硅 的热竞效应和等离子色散效应模型。 1 麓m z 于涉翟热兔衰藏嚣模型 热光调制器是利用材料的热光效应工作畿。聪谓热竞效应就是据材料 的折射率随温度变化的一种物理效应。硅具有比较大的热光温度系数， 当t = 1 3 9 i n 时，d n d t = 2 x l o “k 。因此利用娃的热光效应可以很容易的 实琉酸的折射率调稍，从而实现对光波的调制和开关。图3 4 为s o i m z i 型热光率减嚣的结构式意图，其中( a ) 为m z i 示意图，( b ) 为调制区 截西示意圈。 图3 4s o i m z i 结构 ( 3 ) m z i 示意毽b ) 调稍区截面示意毽 s i 圈s i 0 ：一热子嚣 当y 分支器将筚模波导输入的光分配成两个相等的光束沿两个直 波导传埝，如装两个炭波导完全对称屈无热作用时，分路光束将在输出 波导内合成产生最低阶模输出；当一定的电流作用于热子时，由于热光 效应，通过谈臂的光波合成产生相位麓日口： 妒= 4 膨( 3 3 5 ) 式中郑为导横由于折射率的改变引起的传播常数的改变。可以近似为： 口：娶州 ( 3 3 6 ) 出为导模的有效折射率，可以近似为a n = n ，a n 为热光效应引起的硅 的有效折射率的改变，则： 。一2 7 r a n l(339)a 口= 一 、 因此，实现兀相移所需要的温度差为： 肌。刍 4o ) 式中，l 为有源区的长度。 由一维线形近似可知，达到t 温度差所需的外加电功率p 。z 为： p ：垒堡 ( 3 4 1 ) “d o t h ( 。2 1 式中，j 。，是s i 0 ：的热导事；a 是热子的宽度；d 是埋氧层的厚度， 考虑到热子产生的热还要向侧向扩散，存在一个侧向热扩散长度l m 式 ( 3 4 1 ) 应修正为： ，= 丁k + 2 k 江( 岫) d ( 3 4 2 ) 式中：工萨廊乒忑瓦忑 ( 3 43 ) 式中，a 帆，1 是硅的热导率；d 2 是脊形波导的脊下硅膜厚度，如图3 4 所 示。根据式( 3 4 0 ) 和( 3 4 2 ) 可得实现7 【相移所需的开关功率n ： 只= 乏( 嘉) 7 1 o + 2 三m ) l 盯m ( “0 ：1 可求得m z 热光调制器的截止频率毛 南= 蛳m ( 甜 式中，a = ( 2 l t h + a ) d 2 为受热面积 ( 3 4 4 ) p d 为热子密度；m 为热子的比热。 2 硅的等离子色散效应 硅的间接电光效应有f r a n z - - k e l y s h ( f - - k ) 效应和等离子色散效 应，f - - k 效应是导带与价带间的场致遂芽效应，它使吸收系数随所加的 电场变化，从而使折射率变化。从实验得到的吸收系数与所加电场的关 系得到的折射率变化与电场的关系曲线表明硅的f - - k 效应是相当弱的、 因此在实际的应用中用硅的等离子色散效应来改变硅的折射率1 6 i 。 半导体中的自由载流子浓度的改变一般有两种方式：一种是通过掺 入杂质来改变自由载流子的浓度；另一种是通过外加电场形成注入电流 来改变自由载流子浓度。无论那一种方式改变了自由载流子浓度，自由 载流子等离子体通过吸收系数对介电常数( 折射率) 的负作用，都降低 了介质的折射率。自由载流予引起的折射率的改变n = n n ，为： 蚺一要f 掣+ 学1 址焘 赢+ 献 4 6 式中，和脚分别是电子和空穴的有效质量( m 。+ = o 2 6 m o ， l e 。离一 l 刮i 吖1 r矽 氰旷分。：j j | ! l ：l l i ，l j i jj ；“n j il l 删 。我们在逡挎采 臻一赞淀积工艺醇，襞要考虑豹鞠索有：$ 争疯温度、淀积速搴争貘鼬均 匀性、表薅形貌、电学和机械性鳃，以及令质膜鹳化学成分。 常压c v d 技本翅来剃备s i 0 2 薄膜。一簸采用两葶孛化学反应。一葶孛 是s i + 0 2 系统： s i 王4 + 2 0 2 _ - s i 0 2 + 2 2 0 另一稀是s i h 4 + n 0 2 系统，它分两步反应。雷尧在3 0 0 以下分解n 0 2 ： 2n 魄_ o z + 2 n o 其次分簿得蠲静0 2 与s i 壤反症，生成s i 晚。整个反应式为： s i 珏4 + 4n 0 2 一s i 0 2 + 4 n o 牛2 h2 0 l p c v d 与常压c v d 螃幂嗣点是系统走鲰毽力低，巍效善淀彀蔽酶 厚度和蛆分的均匀挂，且麓予砖砖污小，菇台玲覆盏搴糖槛比誊聪c v d 好。p c v d 鼓术怒农j 乎衡警离予傣申，气态勃壤毅激活，囊 争底上发 生化学反应，淀积出霹态薄膜砖一张技术。它铯在较低温皮下淀毅，针 孔密度比较小，台阶覆盖率性能比较好。p c v d 兼有l p c v d 和常压c v d 的优点，它在介电性能、膜的质量和完整性方面是最好的。 ( 2 ) 热氧化技术 硅的热氧化制膜技术是利用硅和氧化剂( 如氧和水气) 反应生成 s i 0 2 薄膜的工艺。它包括常压热氧化、高压热氧化和等离子热氧化等几 种。 硅在氧或水气中的热氧化过程由下列方程式描述： s i ( 固体) + 0 2 ( 气体) 叫s i 0 2 ( 固体) s i ( 固体) + 2 h 2 0 ( 气体一s i 0 2 ( 固体) + 2 1 - t 2 ( 气体) 理论计算表明，生长厚度为x 的氧化层，需要消耗厚度为o 4 4 x 的硅层， 常压热氧化比较成熟，二般分为水气氧化、干氧氧化和湿氧氧化；高压 热氧化在高压气氛下进行，能够加速氧化物的生长和较低温度下进行氧 化；高压氧化膜有良好的质量，但它的折射率和密度较常压大；等离子 体氧化在低的温度下进行( 低于5 0 0 ) 能获得非常均匀的氧化层。 3 光刻技术 光刻是将掩膜版上的图形精确的转移到基扳上的一种技术，在微电 子领域得到了广泛的应用。光刻质量的好坏对器件性能影响很大，在光 率减器的制作过程中，需要进行两次光刻。尽管两次光刻的操作及工艺 条件略有不同，但都需要经过如下的工艺过程： 圆一匝巫) + 夏互 - 一口固 e 圃一口圃一臣函 涂胶工艺是将光刻胶按设定的厚度和均匀性要求涂布到硅片的表 面的工艺过程。光刻胶有正胶和负胶，采用正胶光刻时，可在衬底表面 得到与光刻掩膜版避光图案完全相同的保护胶层：负胶光刻时，在衬底 将缮到与竞痿耱蔟蔽图囊完全蕊反的保护胶层。受曩更的稳定幢好，抗蚀 能力较强，一般普遍采用，但正肢的分辨率比负胶好，可根据需按合理 选择正骏和受胶；前烘一般是将涂铰后的黎冀放在于爆箱中烘烤，使默 膜干燥，增加胶膜岛衬底的粘附性。曝光是对工艺控制要求最为严格的 步骤。曝光都是在专用的光刺机上逆行的，光刻机的曝光分瓣率决定了 曝光所产生的最小特征线宽。显影是使神底上经过曝光后的竞刻陂通过 显影液的漫泡，使图形得以显现。坚膜是糖把显影后的胶膜放在烘箱中 热煤，使胶膜与硅辟之间赫的更牢，增强陂膜的抗德能力。腐蚀是用适 当的腐蚀髓将无光刻胶覆燕的掩膜层去掉，而有光刻胶覆燕的区域保存 下采。去黢是指把通过化学或物理的方法将获层去掉。 4 + 3 硅的劐馊_ i 艺的职究 在器件的制备工艺过程中，硅的精确剡蚀是最关犍的置艺。刻蚀的 精度乖口获得的剖面形状严重的制约着器件帔能，我们对硅在s f 6 + n 2 混合 气体的反应离子刻蚀进行了探讨和研究i2 j 。 裁奎蠹技术有两类：一种是于法嘉4 蚀，一美是湿法剥蚀。在腐蚀( 1 0 0 ) 晶 面并沿( 1 1 1 ) 晶向腐蚀时，得到的脊形波导是梯形截面的，梯形的底角 为5 4 7 4 。癸碍爨矩形截西的脊影波导一簸稚采用干法莉德得到 反应离子刻蚀( r i e ：r e a c t i v ei r o ne t c h i n g ) 是利用高颊电场下气体 辉竞放电产生砖离子轰击懿物理效应务活躐离子辩亿掌效应相结合泰实 现加工目的的一种技术。一般来说，它具有较高的刻蚀速率、良好的方 向， 囊争选择槛，能裁蚀穗细缝趱銎影+ 但是在健瘸f 基气体( c f ；，s f 。) 腐蚀s i 时，即使在典型的反应离子刘蚀条件下，也是不容易获得各向异 蛙载蚀妫垂轰结掬，定向的离子轰击对s i 秘各自雾瞧蕊蚀越不了显薯抟 作用。我们对s i 在s f 6 + n 2 混合气体的反应离子刻蚀进行了探讨和研究。 实验采用乎扳电极挫等离子侮铡蚀系统1 4 】 囊4 蚀设备楚毒北京议器 厂生产的5 2 0 5 4 0 型。系统框图如图4 3 所示。在等离子刻蚀过程申，刻 蚀速率选择性、刻蚀剖面与反应气体的流量，r f 功零争频率等y - 艺参数 有关。其中捌蚀气体的化学性质对刘蚀速率和刻蚀选择性影响较大：在 给定刻蚀条件下，选择性毡往和掩躐材料有美。 3 0 将缮到与光到掩蔽版图囊完全蕊反的曝护胶层。受驳的稳定蛙好，抗蚀 能力较强，一般普遍采用，但正肢矗勺分辨率比负胶好，可根据需撼合理 选择正胶和受胶；前烘一般是将涂铰后的黎冀放在手爆箱中烘烤，使黢 膜干燥，增加胶膜与衬底酌粘附性。曝光是对工艺控制要求最为严格的 步骤。曝光都是在专用的光刻机上逆行的，光刻机的曝光分瓣率决定了 曝光所产生的最小特征线宽。显影是使神底上经过曝光后的光刻胶通过 显影液的浸泡，使图形得以显现。坚膜是糖把显影后的胶膜放在烘箱中 热燎，使胶膜与硅片之间黠的更宰，增强胶膜的抗德能力。腐蚀是用适 当的腐蚀髓将无光剿胶覆燕的掩膜层去掉，而有光刻胶覆燕的区域保存 下来。去黢是指耗遗过化学或物理的方法将蔹层去掉。 4 + 3 硅豹刻经工艺豹研究 在器件的制备工艺过程中，硅的精确刻蚀是最关犍的墨艺。刻蚀的 精度和获得的告4 面形