（微电子学与固体电子学专业论文）玻璃基硅光波导及纳米波导研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 光通信的迅猛发展对集成光学提出了越来越高的要求，光电子的集成可以大 大降低成本，提高器件性能和实现复杂的功能。但是目前各种光波导分立器件都 因为体积太大而不利于集成，作为光波导器件的基体，光波导的小型化研究对于 集成的重要性显得尤为突出。高折射率差，纳米尺寸波导已经成为当前平面光波 导器件研究的一个热点，它是实现光子集成必不可少的第一步。我们采用硅一玻 璃键合和选择性腐蚀技术研制出了一种具有良好光学性能的光波导材料：玻璃体 上硅材料，并在这种材料上制作了脊型波导和平板、矩形光波导，其中后两种波 导尺寸达到了纳米量级。 本文首先结合波导的材料和结构介绍了纳米波导及器件研究进展情况：接着 从单模、损耗、耦合等方面对波导结构进行了设计；然后对关键技术进行了分析 与讨论，包括键合质量的提高、自停止腐蚀的实现；在实验制作和测试部分，对 各主要工艺进行了说明，并从粗糙度、厚度均匀性、损耗等方面对测试结果展开 了细致的讨论。 从测量结果看，制得的玻璃体上硅波导材料能够保持较好的表层硅质量。当 所用绝缘体上硅( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ，s 0 1 ) 材料为基于注氧隔离技术的材料 时，其表面均方根粗糙度为3 n m 左右，硅层厚度均匀性在5 以内，而且硅膜厚 度可以从几十纳米到几微米。同时它还具有以下优点：光波导的下限制层比s o i 材料的厚，在纳米波导中能更好地实现对芯区光的限制；具有高的折射率差，适 合制作纳米光波导。 在硅层厚5 微米的玻璃体上硅材料上制作的脊型光波导的最小损耗值为 1 0 6 d b c m ，而在相同的工艺条件下制作的s 0 1 上脊型光波导的最小损耗值为 1 2 8 d b c m ，两者在同样数量级，初步证实了这种制备玻璃基光波导材料的可行 性。而在硅层厚5 0 0 n m 的玻璃体上硅材料上制作的条波导的损耗值，约为 1 2 d b m m 。 这种制各工艺过程的另一个优点是在玻璃与s o i 片键合前，可以在玻璃或 s o i 上溅射金属电极，键合后再在顶层硅上制作上电极，从而实现硅光波导的上 浙江大学硕十学位论文 下结构电极调制，提高调制效率。所以在最后设计了基于此技术的可调光衰减器、 1 2 和2 2 光开光，这种结构的器件与传统结构相比，具有更小的尺寸，可调 光衰减器跃度只有7 m m 左右，而2 2 光丌关也只有1 c m 长。 关键字：集成光学平面光波回路光波导绝缘体上硅玻璃体上硅 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb r i n g sf o r w a r d h i g h e ra n d h i g h e rr e q u i r e m e n t st oi n t e g r a t e do p t i c s t h eo p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o nc a nh i g h l y d r i v ec o s t sd o w n ，o p t i m i z et h ed e v i c e s p e r f o r m a n c e ，a n da c h i e v ec o m p l e xf u n c t i o n s b u ta tp r e s e n ta l lk i n d so fd i s c r e t eo p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sa r et o o l a r g et ob e i n t e g r a t e d a st h eb a s i co ft h eo p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s ，t h er e s e a r c ho fo p t i c a l w a v e g u i d e s m i n i a t u r i z a t i o nb e c o m e s v e r yi m p o r t a n t t h en a n o m e t e r - s i z e d w a v e g u i d e 谢t h1 1 i g hr e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n c eh a sb e c o m eaf o c u si nt h er e s e a r c ho f p l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s i ti sa b s o l u t e l yt h en e c e s s a r yf i r s ts t e pt o w a r dt h e p h o t o n i ci n t e g r a t i o n w ea d o p t e dt h et e c h n o l o g yo fs i l i c o n g l a s s b o n d i n ga n d s e l e c t i v ee t c h i n gt od e v e l o pak i n do fn e ww a v e g u i d em a t e r i a l ：s i l i c o no ng l a s s w e a l s ob u i l tt h er i d g e dw a v e g u i d e s ，p l a n a ra n dr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e so nt h i sm a t e r i a l ， a m o n gw h i c ht h el a s tt w ow a v e g u i d e sr e a c h e dt h ee x t e n to f n a n o m e t e n t h i st h e s i ss t a r t sw i t hi n t r o d u c i n gt h er e s e a r c hp r o g r e s so fn a n o m e t e r - s i z e d w a v e g u i d ea n dd e v i c e sf r o mw a v e g u i d em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s a f t e r w a r di tg o e st o t h ed e s i g no fw a v e g u i d es t r u c t u r ef r o mt h ea s p e c t so fs i n g l em o d e ，l o s sa n dc o u p l i n g t h e ni t p r o v i d e st h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h e i m p r o v e m e n to fb o n d i n gq u a l i t y , a n dt h er e a l i z a t i o no fe t c h e d b a c k t h i st h e s i sa l s o e x p l a i n st h ek e yt e c h n i q u e si nt h ee x p e r i m e n t , a n di nt h ee n di te x p a t i a t e st h e e x p e r i m e n tr e s u l t sf r o mr o u g h n e s s ，l o s s ，a n dt h i c k n e s su n i f o r m i t y f r o mt h em e a s u r i n gr e s u l t ，t h eo b t a i n e ds o gm a r t i a lc a nr e m a i ng o o dq u a l i t yo f s u r f a c es i l i c o n w h e nt h eu s e ds o lm a t e r i a li sb a s e do ns i m o x t e c h n o l o g y , t h e r o o t m e a n s q u a r es u r f a c er o u g h n e s si sa b o u t3n l n ，t h es i l i c o nt h i c k n e s su n i f o r m i t yi s l e s st h a n5 a n dt h et h i c k n e s so fs i l i c o nf i l mc a nb et e n so fn a n o m e t e r st os e v e r a l m i c r o n s m e a n w h i l e ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sat h i c k e ro p t i c a lw a v e g u i d e s b o t t o mc o n f i n i n gl a y e rt h a ns o lm a t e r i a l s ；b e f l e rc o n f i n e m e n tt oc o r ea r e ai n n a n o m e t e r - s i z e d w a v e g u i d e s ；a n dah i g hr e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n c et om a k e 3 浙江大学硕士学位论文 n a n o m e t e r - s i z e do p t i c a lw a v e g n i d e s t h em i n i m u ml o s so fr i d g e do p t i c a lw a v e g u i d eb u i l to nt h es o gw i t ha 5 - m i c r o ns i l i c o n l a y e r i s 1 0 6 d b c m ，a n dt h em i n i m u ml o s so fr i d g e do p t i c a l w a v e g u i d eb u i l to ns o lw i t ht h es a m ef a b r i c a t i o nc o n d i t i o ni s 1 2 8d b c m t h e ya r e a tt h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d e s oi ti n i t i a l l yp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fp r o d u c i n gt h i s k i n do fg l a s s s u b s t r a t eo p t i c a lw a v e g u i d em a t e r i a l t h el o s so fr e c t a n g l ew a v e g u i d e b u i l to nt h es o gw i t ha5 0 0n l nt o ps i l i c o nl a y e ri s1 2d b c m a n o t h e rs t r o n g p o i n to ft h i sp r o d u c i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s si st h a tb e f o r eg l a s s b o n d i n gw i t l ls o i w ec a l ls p u t t e rm e t a le l e c t r o d e so nt h eg l a s so rs o i ，a n dt h e nm a k e t h ee l e c t r o d e so nt h et o ps i l i c o na f t e rt h eb o n d i n ga n de t c h i n gw o r k ，s ot h a tw ec a n m o d u l a t et h eu p p e ra n dl o w e rs t r u c t u r e de l e c t r o d e so nt h eo p t i c a lw a v e g u i d ea n d i n c r e a s et h em o d u l a t i o ne f f i c i e n c y s ow ea tl a s tb a s e do nt h i st e c h n o l o g yd e s i g nt h e v a r i a b l e o p t i c a la t t e n u a t o r , 1x2 ，a n d2x 2o p t i c a l s w i t c h e s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lo n e s ，t h ed e v i c e so ft h i ss t r u c t u r eh a v es m a l l e rs i z e s ：t h ev a r i a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o rh a st h el e n g t ho fo n l y7m n l m a dt h e2 2s w i t c h sl e n g t hi sa l s oo n l y1 c m k e yw o r d s ：i n t e g r a t e do p t i c s ，p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ，o p t i c a lw a v e g u i d e ，s i l i c o no n i n s u l a t o r , a n ds i l i c o no ng l a s s 4 浙汀大学顿十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在人类文明发展历史中，人类一直都有在应用光通信，但在相当长的时间内， 都局限在自由空间的光传输。最古老的光传输系统当数中国古代三千年前造在长 城上的“烽火台”，边关发生紧急情况时通过燃烟来达到信号传输的目的；信号 灯和信号旗在军事和导航上也得到了普遍的应用，但这些光传输都有很大的距离 和速度局限，是在人视力可见的范围内传输。从1 8 7 6 年a 1 e x a n d e rb e l l 发明电话 开始，通信才开始了伟大的革命，4 年后也f 是他发明了最早的光通信器件。1 9 6 0 年激光的发明和7 0 年代低损耗光纤的发明更是大大加快了光通讯发展的步伐。光 通信已经和汽车、飞机的发明一样，使世界发展产生了巨大变化，尤其是最近几 年，世界范围内的电话通信和数据传输获得了长足的发展。网络通信已经是我们 日常生活不可或缺的一部分，许多地方也已经实现光纤到户和综合业务数字网。 1 9 6 9 年，集成光电子的概念被m i l l e r 等提出后，引起了全世界物理学、化学 和材料科学等领域科学家们的极大关注，各地科研人员都把集成光学作为最有潜 力的研究方向，正是这种研究热情，使得各种集成光学器件得到了不断地发展和 完善。经过三十多年的发展，集成光学已经拥有了自己的一套理论体系、实验方 法和技术手段，并取得了丰硕的研究成果。作为一门光学和薄膜电子学交叉的新 学科，它已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要的作用。 作为集成光电子学重要的组成部分，集成平面光路技术更是受到了极大的关注。 集成平面光路技术与集成微电子技术很相似，只不过电信号载体是导线，而光信 号的载体是光波导，它将若干无源光波导器件制作在同一个基片上，通过平面波 导互连构成一定的功能回路，包括：光信号的结合、分离、极化、耦合、开关、 调制、探测等。它是未来的d w d m 光网络系统中非常实用化的技术，尤其在通 信领域内，集成平面光路技术取得了巨大的成功。而光波导是微光学回路中集成 光学的基体，作为平面光波导器件中的一个重要元素，它是平面光波回路里的一 个最基本单元结构。 光波导是大量光信号快速传输的载体，约束光波传输的媒介。高折射率的导 浙江大学硕上学位论文 波芯层，周围环绕其它低折射率的电介质材料就组成了一个简单的光波导，形成 了一个“凸”型的折射率分布。最简单的光波导是平板光波导，它由三层结构组 成，是只在光传输垂直方向一维约束的一种波导，而光纤是一种特殊的圆柱型光 波导，由芯层和包层组成，具有三维约束。对光波导来说，两个最重要的参数就 是模式场分靠和传输损耗，场分布主要由波导结构和折射率分布决定，传输损耗 与介质层界面状况关系最大。概括组成光波导的三要素： 1 、“芯包”层结构； 2 、凸型折射率分布； 3 、低的传输损耗。 光波导在光纤通信、集成光学、变折射率光学和光纤传感器领域具有重要的 应用价值，它对集成光电子学和平面光波导器件的发展方向有着根本的影响。正 是随着光波导理论及制作技术工艺的发展，新材料、新工艺不断取得突破，各式 各样平面光波导器件的应用也越来越多。 本论文的工作主要研究制作了一种新型的光波导材料：玻璃基上硅材料，并 在这种材料上制作了脊型波导和平板、矩形波导，其中平板和矩形波导的波导尺 寸达到了纳米量级。最后在这种光波导材料上，设计了具有上下电极调制结构的 m m i 光衰减器和光开关。 本章将首先介绍常见的几种光波导材料和各自材料上光波导以及光波导器 件的发展状况，之后讨论了纳米波导及其相关器件的研究进展情况；接着说明了 本文涉及的玻璃基波导与纳米波导的优点和研究意义；最后给出了后面各章节的 安排。 1 2 主要的光波导材料 由于平面光波导是通过控制折射率来设计器件，因此材料的选择成为重点。 从波导材料和器件研制情况来看，大折射率差( 波导芯层和限制层) 材料是发展 的一个方向。大规模的平面光波回路( p l a r l a l - l i g h t w a v ec i r c u i t ，p l c ) 要求各 分立光波导器件尺寸最小化，另一方面，许多分立光波导器件通常由弯曲波导相 连接。弯曲波导的弯曲半径决定了整个波导回路的尺寸，弯曲半径越小，集成回 路的尺寸越小。然而，弯曲半径越小，弯曲所带来的辐射损耗越大。由于弯曲损 浙江人学硕士学俺论文 耗随着折射率差的增大而指数级地减小，同时，大折射率差的材料对光场的限制 更强，也有利于制作尺寸紧凑的分立波导器件，因而大折射率差的波导材料成为 当前平面光波导器件研究的一个热点。 在微电子领域，硅材料一直占有统治地位，而在集成甲面光波导领域内没有 哪一种材料能够占据主导的地位。目前被普遍采用的几种材料都有它独特的优势 和加工工艺，每种材料在某方面都具有其一定的优势，但同时又存在着某种难以 克服的弱点。因此在几十年的光波导器件发展中，形成了多种材料一起共同发展 的局面。目前，被广泛采用的几种光波导材料有：硅材料( 包括绝缘体上硅) 、 二氧化硅( 包括玻璃) 、铌酸锂、i i i v ( 包括i i i v ) 族化合物半导体和聚合物。 硅材料： 早期利用硅材料制作波导的方式主要有外延层波导和锗硅波导。外延层波导 是利用向硅外延层和衬底层掺杂不同的浓度，形成一定的折射率差来实现的，但 由于制作中需要掺杂的浓度往往比较大，自由载流予吸收会引起很大的波导损 耗：锗硅波导是通过在硅材料中掺入锗，形成一层锗化硅( s i g e ) 的薄膜，然后经 过刻蚀等工艺实现的。通常用来生长s i g e 薄膜的方法有化学气相淀积( c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 、分子束外延( m o l e c u a rb e a me p i t a x y ，m b e ) 和扩 散法( d i f l u s i o n ) 。上述两种硅材料上制作的光波导工艺都较复杂，硅材料中， 另一种适合制作波导的为绝缘体上硅( s i li c o n o n i n s u a t o r ，s o i ) 材料。在s o i 材料上制作的大截面脊形波导不仅工艺简单，而且其掺杂浓度小，波导芯区尺寸 与光纤芯区大小相近，具有更优的性能，所以现在硅材料上的波导以s o i 为主。 s o i 材料是8 0 年代末发展起来的一种新型材料。而在此之前，硅材料的制 备和加工工艺已经是各种半导体中最成熟的了，它作为制作大规模集成电路的主 要材料，同时又是微电机械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 的基础材料，所以被广泛应用在各种器件制作中。伴随着微光机电系统 ( m i c f o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m o e m s ) 的发展，s o i 材料为集成 电路( i n t e g r a t e dc i r e u i t ，i c ) 、微电机械系统、平面集成光路提供了一个共同 的设计和加工平台，使得光器件、电子器件以及机械固件的混合集成成为可能。 它的等离子色散( p l a s m ad i s p e r s i o n ) 效应、弗朗兹一凯尔迪什( f r a n z k e d y s h ) 效应可以被应用在电光调制器和电光开关的制作。本文第五章所设计的m m i 光衰 9 浙江大学硕十学位论义 减器和光丌关也正是基于硅的等离子色散效应。因此，在将来的集成光电子技术 的发展中，s o i 材料必然继续扮演着重要的角色。 s o t 光波导工艺与成熟的标准c m o s i 艺完全兼容，而且对于其导波层硅材 料，1 3 - 1 6 um 的光通信波长范围内是透明的。因此，s o l 光波导已经成为 硅基光集成技术中最重要的低损耗光波导结构之一。3 ，是其它各种有源和无源波 导器件的基础。理论与实验研究表明，采用脊型结构在s o l 材料上制作光波导， 可以大大提高波导与光纤的耦合效率，所以在各种波导器件设计制作中，这种结 构已经被广泛采用。制备s o i 脊型光波导一般采用的是顶层硅厚度为5 微米左右 的s o i 材料，这种厚度的s o i 材料满足波导单模条件对导波层厚度的要求。 目前较成熟的制备s o i 材料的技术有：硅键合与背面腐蚀技术( b o n da n d e t c h b a c ks o l ，b e s o i ) 、注氧隔离技术( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ，s i m o x ) 和智能剥离技术( s m a r tc u t ) 。虽然基于b e s o i 技术制作的s o i 材料表层硅具有 很低的粗糙度，但其表层硅的厚度均匀性较差，不能很好满足光波导对材料的要 求；而利用s i m o x 技术获得的s o i 材料的表层硅膜质量较高，一大不足是其硅层 厚度较低( 一般为几十纳米到几百纳米) ，所以往往利用成熟的硅外延技术将表 层硅厚度增加至几个微米，从而获得厚度均匀、界面平整及表层硅质量良好的厚 膜s o l 材料，但这种材料对于制作光波导仍有一个缺点，就是中间缓冲氧化层的 厚度比较小( 三、四百纳米左右) ；利用s m a r tc u t 技术制得的s o i 材料就解决了 s i m o x 缓冲氧化层薄的问题，相对其它s o i 来说是较理想的纳米波导材料。r i c k m a n 等人在厚膜s i m o xs o l 材料上制备了不同截面尺寸参数的脊型光波导，并且系统 地研究了它的传输损耗与传输光场的特性“1 ，波导的传输损耗均大于1 0d b c m ；而c k t a n g 等报道了低损耗的s i m o x 大截面单模脊型光波导的研制，测得 的传输损耗值为0 4d b c m 。1 。 基于b e s o i 技术绝缘体上硅材料的制备方法是：将待键台的硅片，先做平整 度检测，再在其表面生长一定厚度的二氧化硅( 常见的一般为1 微米) ，对它们 作表面处理后，放置在专用石英舟上，在1 2 0 0 度的氢气和氧气中作键合处理， 键合后的片子在红外图象仪上作键合质量检测。再对键合片的一边作机械减薄， 使氧化硅上的单晶硅膜保留约3 0 微米，最后用机械抛光等手段获得表面较光滑 的b e s o i 材料。还可以通过在一片硅片表面制作能外延硅并且和硅具有选择性腐 1 0 浙江人学硕上学位论文 蚀的自停止层，在此层上外延硅到需要的厚度后，再与另一硅片键合。然后将具 有自停止层的硅片先机械快速减薄，再用腐蚀液进行腐蚀，腐蚀液遇到自停止层 时就会停止腐蚀，最后用选择性腐蚀液去除自停止层，便得到s o i 材料。 s i m o x 注氧隔离技术是先将高能量的氧注入到硅表层以下几十到几百纳米， 再经过高温退火形成隔离的氧化层。s 1 m o x 技术制作的s o i 晶片缓冲氧化层和硅 层厚度范围基本都为5 0 5 0 0 纳米左右，不均匀性小于l o 纳米。上表面硅层可 以通过外延技术使其增加到需要的厚度，对于光波导器件，一般为5 微米左右。 s m a r t c u t 智能剥离技术的实施过程是：硅表面经氧化形成氧化层后，注入 氢离子，与另一待用硅片键合在一起，在经过退火处理时，硅片就在注氢的深度 处发生劈裂，达到减薄的目的，最后经化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n g ，c m p ) 对器件层表面进行处理使之达到使用要求。 三种方法制备的s o i 材料相比，用s i m o x 方法制作的s o i 硅片，器件层厚度 均匀，平整度高，但制备需要高能量的注氧和高温退火工艺，成本比较大，并且 氧离子的注入会在器件层中形成晶格缺陷，实际应用发现其缓冲氧化层的质量也 确实不够理想：b e s o i 技术制作的硅片晶格缺陷少，工艺成本低，且器件层厚度 控制很灵活，所以被广泛应用在m e m s 领域。但表面硅层的平整度不高，目前商 用的键合片最好的平整度还只能达到0 5 微米。而s m a r tc u t 技术的s o i 硅片 在某种程度上集合了前两种方式的优点：由于注氢所需的能量远小于注氧所需的 能量，因而氢离子可以注入到距表面更深的硅层中，热氧化形成的氧化层就可以 比较厚，通常达到3 微米左右；此外，s m a r tc u t s o i 硅片比b e s o i 硅片具有更 好的表面平整度，但这种材料的技术还在进一步研究中，目前主要在国外一些研 究机构中使用，国内还基本难以获得。 s o i 制作波导以及有源、无源波导器件，光m e m s 器件，以及集成波导式m e m s 器件已经多有研究“15 “。t r i n h 等人制作了第一个s o i 星形耦合器”3 ，方向耦合 器9 3 。c o r n e l l 大学的m i c h a ll i p s o n 也于2 0 0 4 年年底在 n a t u r e 上发表了基 于s o i 材料的全光开关“。在有源器件方面，硅材料的热光效应和电光效应可以 用来对波导相位进行调制，制作光调制器，尤其是电光调制器，调制频率达几百 兆以上。a n s h e n gl i u 用金属氧化物半导体电容器调制载流子密度实现了光相位 调制功能的高速光调制器【1 ”，也发表于 n a t u r e 上。 浙江大学硕士学位论文 二氧化硅材料： 截至目前，二氧化硅材料仍是平面光波导无源器件最成功的商用化材料。二 氧化硅光波导器件通常以硅材料或玻璃为衬底( 以硅材料居多) ，利用火焰水解 淀积( f l a m eh y d r o l y s i sd e p o s i t i o n ，f h d ) 或者等离子增强低压化学气相淀 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 l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，p e c v d i p c v d ) 在衬底上做出波导的衬底层以及芯层，然后在1 0 0 0 左右的温度下退火硬化，再配合光刻与反应离子刻蚀技术刻蚀出波导结构，最 后淀积一层覆盖层经退火工艺完成。 由于二氧化硅波导的折射率与光纤折射率非常接近，因此用二氧化硅制作的 单模波导与光纤之间模式耦合效率很高，是应用于光纤通信领域光无源器件的最 理想材料。目前二氧化硅波导的制作工艺已经达到了相当好的程度，6 寸晶片的 折射率均匀度可以控制在l o 。4 量级。波导损耗也极低，折射率差为0 7 5 的 g e o 。一s i 0 ：光波导的损耗可低达0 0 4d b c m ，折射率差为0 4 5 的g e o ：一s i o 。波导的 波导损耗更低达0 0 1 7 d b c m 。早期二氧化硅材料上由应力导致的双折射效应也已 通过退火等手段得到了解决。目前二氧化硅材料大多应用于无源器件的制作，如 光功率分配器，耦合器，光开关，复用解复用器等，q l a i 等人研制的光纤自 对准v 型槽耦合器“，s h a n g y uh u a n g 等人制作的2 2 硅基二氧化硅光开关等o 。 但二氧化硅材料的缺点也很明显，它的热光系数比硅、聚合物小一个数量级，进 行热光调制需要消耗大功率；它的电光系数更低，比铌酸锂要低好几个数量级。 玻璃光波导是二氧化硅波导的一个重要分支。玻璃具有极低的光损耗和易于 加工等特性，使玻璃基板上集成光波导得以实现，玻璃波导的优点是价格低廉， 缺点是波导形状难控制，可应用的器件少。低损耗玻璃光波导( 氧化硅系光波导) 是集成光学线路中的基础部件，在现在和将来的各种应用中，从数据存储到信 息传输，它都起着重要的作用。在低损耗玻璃光波导的研究中，人们常采用离 子交换技术、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等制作玻璃光波导。 离子交换技术一般是以铝作为离子交换的掩膜，玻璃中的离子( 通常为n a + ) 被极性更强的离子( 如k + 、k g + 、c s + 、c u + 、r b + 、l i + ) 代替，然后进行二次逆 向离子交换，使得玻璃的折射率局部变大，形成波导。离子交换可以是纯粹的热 浙江人学硕士学位论义 处理过程，也可以是电场辅助的，以加快交换过程。这种光波导一般用作光纤通 信中的无源器件，如隔离器、定向或星型耦合器、波分复用器以及集成光路中的 路由等。这方面的技术已经较为成熟，部分投入实际应用。 溶胶凝胶技术是指线度为卜1 0 0 纳米的固体颗粒( 称为胶体) 均匀地分散在 适当的液体中形成的单相溶液( 称为溶胶) ，在一定的反应条件( 温度、湿度、酸 碱度、压力等) 下转变为具有一定强度的多孔固体胶块( 称为凝胶) 的过程。它与 一些传统的玻璃材料制备方法相比具有许多优点。材料制备过程温度低，它是利 用溶液中的化学反应，原料可在分子水平均匀混合。这使得制备过程易于控制， 不仅制得的材料均匀性好、纯度高，而且在溶液中掺入一些具有一定功能的材料， 可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的材料。其次，它的制备设备便宜简 单，便于操作。 铌酸锂材料： 铌酸锂晶体作为一种铁电体，是集成光学最常用的无机介电晶体材料。目前， 铌酸锂晶体上制作光波导的主要方法有：钛扩散法和质子交换法。这两种方法均 能制作出高质量的光波导。人们对钛扩散法的研究较早，其制作工艺已相当成熟。 质子交换法是一种制备铌酸锂光波导的重要方法，它具有制作工艺简单、折射率 增量大、抗光折变能力强及可实现单偏振激励等特点。1 9 8 2 年，j a c k e l 等人首次 利用铌酸锂与苯甲酸进行质子交换制作出光波导“。质子交换仅使铌酸锂晶体中 非常光折射率增大，而寻常光折射率降低，这意味着质子交换光波导具有很好的 偏振选择特性。 目前基于l i n b 0 3 材料的平面光波导器件的实用化程度很高，特别是用铌酸 锂材料制作的光调制器具有非常高的调制速度，可达到几十个g l t z 。总的来说 l i n b o 。是一种功能强大的线性晶体材料，其波导具有电光、热光和声光效应，可 以用来制作光调制器、光开关、光复用器、波导激光器及非线性波导等平面波导 器件。但是基于l i n b o 。材料的平面光波导器件在应用中也存在几个问题：温度 系数比较大，会影响器件的温度特性，产生温漂；抗辐射能力较差，限制了其在 某些辐射较强的环境下的应用；具有较强的压电特性，由于这种特性而造成器件 性能的变化会影响器件在某些应用场合的使用；无法用于制作光源、探测器和光 放大器等有源器件、光电子集成器件，限制了其在光电子集成方面的应用。 浙江大学硕上学位论文 一v 族半导体化合物材料： 常用i - - v 族半导体化合物材料有6 a a s 和i n p 系列，外延技术是i i i v 族 半导体化合物薄层单晶生长最重要的一项技术。与l i n b 0 3 材料相比，基于i i i v 材料的平面光波导芯片不仅温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小，而且可以 实现激光器、探测器、半导体光放大器等其它有源光器件、电子器件的单片集成。 对于一些较恶劣的环境条件、或者集成度要求高的场合，如航天、军事等领域， i i 卜v 材料具有明显的优势。同时，用它制作的平面波导器件结构非常紧凑，比 二氧化硅等材料制作的器件尺寸要小卜2 个数量级，是大规模光电集成模块较理 想的制作材料。 虽然i i i v 族半导体化合物材料可以用来制作光源、光调制器、光探测器、 光放大器、各种光无源器件以及超高速电子器件，但i i i v 半导体化合物材料的 一个致命缺点是其价格特别昂贵，大规模生产时器件的性价比较低，所以基于半 导体化合物的平面光波导器件，距离实用还有一大段路要走。 聚合物材料： 新型光电子材料是光电予器件发展的基础，从近期来看，有机聚合物是一种 非常有潜力的光电子器件材料，是平面波导技术发展的一个重要方向。它具有非 线性光学系数较大、介电常数相对较低、容易与半导体器件和光纤集成等优良性 能，它可以制作各种无源波导器件，用于制备具有更高的调制频率和较低的驱动 功率的光调制器、光开关阵列、激光器、阵列波导光栅、可调谐器件、滤波器等。 此外，有机聚合物可以淀积在半导体衬底上，便于实现光路和电路的集成；可以 根据人们需要，通过调节有机材料的组分以满足电光特性、热光特性和吸收谱特 性。聚合物材料另一个吸引人的特性是其低廉的成本，由于有机聚合物的合成、 加工、器件制备方面相对容易，价格低廉，聚合物波导具有很好的柔韧性，可以 用于三维波导器件不同波导芯层之间的连接，这也增加了人们对这种材料未来的 期望。但聚合物材料的缺点是稳定性差、波导损耗较氧化硅，铌酸锂要大。 4 浙江大学硕上学位沧文 1 3 主要的光波导结构 波导结构般由材料的选择和加工工艺决定，常见的波导按波导形状大致可 分为二种：平板波导和一维结构波导。 平板波导： 波导一般都做在衬底r ，平板波导是最简单的一种光波导结构，如图1 1 所示，芯层折射率为n 。，被衬底层( 折射率为n 。) 和包层( 折射率为n t ) 包围着。 如粜衬底和包层材料相同，具有相同的折射率，这种波导叫做对称波导，否则叫 做非对称波导。包层绎常南空气构成，这时包层折射率n 等丁l 。在平板波导中， 光场只受上下z 方向的限制，在x y - 维平面中传播，传播方向不易于控制，所 以能量流失较人，损耗很人。这种波导结构一般只在实验和测试中用到，实际的 光传输系统很少用平板波导。平板波导可以通过在衬底上淀积一薄层高折射率材 料得到，导波芯层区厚度一般在几个微米左右。 图1 1 平板波导示意目 三维结构波导： 为了得到良好的光限制波导，可以采用如图1 2 、1 3 的结构制作波导，他 们都称为矩形波导( 条波导) ，图1 2 中的波导结构称为嵌入型矩形波导，图1 3 中波导称为脊犁i ! _ ! 导。在这种波导结构中，光在三维力向上都受到了限制，能量 流失大大减少，可以较好地实现点对点的光传输。矩形波导一般靠微电子加工上 艺，在波导区域内进行离子交换或热扩散提高芯区折射率的方法获得。脊型波导 通过淀积芯区薄层和反应离子刻蚀得到。 通过淀积芯区薄层和反应离子刻蚀得到。 浙江人学硕士学位论文 的忘一一 一“一 图1 3 脊型波导不意图 另一种常见的三维波导为圆柱形波导，最典型的圆柱波导是光纤。光纤是一 根头发丝般的玻璃丝，携带信息的激光束就在它的纤芯中传播。如今光纤通信干 线已遍布世界，光纤通信技术具有许多优越的特性。概括说，主要体现在通信容 量大、传输速率高、通信稳定、保密性能好、能节省大量非常昂贵和稀有的有色 金属、通信距离远、寿命长等优点。光纤通信一经问世，就以其优异的性能博得 使用者的青睐，它的用途非常广泛。诸如电话局之间的联线( 中继线) ，建立大 容量通信干线和高速数据传输以及卫星、微波地面信号引接等都可一显身手，大 有替代电缆通信之势，传递宽频带高速率的图象信号则非它莫属。 光纤发展历程： 1 8 5 4 年：英国的廷达尔( t y n d a l l ) 观察到光在水与空气分界面上作全反射以 致光随水流而弯曲的现象； 1 9 2 9 1 9 3 0 年：美国的h a n a e 和德国的l a m m 先后拉制出石英光纤并用于光 线和图象的短距离传输： 1 9 6 6 年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确 提出，通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并 有可能拉制出损耗低于2 0 d b k m 的光纤，从而使光纤可用于通信之中； 1 6 浙江大学硕上学位论文 1 9 7 0 年，康宁玻璃公司( c o r n in gg i a s sc o ) 率先研制成功损耗为2 0 d b k m 的石英光纤，取得了重要的技术突破。 口经过近3 0 年的发展，光纤的损耗已经降至0 2 d b k m ( 单模光纤) ，各种光 波导器件在光纤系统巾获得广泛应用，构筑所谓的“信息高速公路”，相关的应 用产业日新月异地蓬勃发展，涉及的部门包括邮电、电子、电力、化工以及机械 等行业。 1 4 纳米波导技术及其发展状况 纳米技术与信息技术、生物技术，是2 l 世纪科技进步与社会发展的三大关键 技术，将对未来科技、经济和社会发展产生重大影响，已成为各国竞相争夺的战 略制高点。我国于2 0 0 1 年颁发国家纳米科技发展纲要，成立国家纳米科技发 展指导协调委员会和专家委员会。纳米科技研发被列入各项重大计划中，“8 6 3 ” 计划设立的“纳米材料与技术专项”启动1 1 个课题，划拨经费2 4 亿元。 “十五” 以来，我国建立了一批纳米科技研究与开发中心，如中科院投入2 5 0 0 万元建立了 国家纳米科学技术中心。上海、西安、大连等地，也都建立了本地的纳米科技研 发促进中心。国家科技部于去年8 月召开纳米科技工作会议，在会上提出了2 0 1 0 年前我国纳米科技的发展重点：近期以纳米技术开发及其应用为主要目标，在纳 米材料制各、纳米器件制造工艺及装备、微型计算机和信息系统等领域攻克一批 重大关键技术；中、长期将以纳米电子学、纳米尺度加工及组装、纳米生物医学、 纳米材料学等为重点，建立、完善先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验 室系统，构筑国家纳米科技创新体系。 我国对纳米领域的研究开发，近年来取得蓬勃发展。在我们光电子领域，同 样要抓住这样一个机遇，努力发展纳米光电子技术。和微电子集成一样，多种光 功能集成实现在一块芯片上可以带来许多好处：成本的大大降低、性能的提高、 复杂功能的实现等。高折射率差、与波长相当尺寸的波导是实现紧凑光路集成的 关键“6 1 。集成光路的单片集成性，通过光刻等工艺自动地解决了子系统对于对 准的严格要求，成为光子集成回路的优点之一。这样就很大程度避免了光电子分 立器件的封装，大大减小了后者对成本的严重影响。然而，现在的各种光子组件 都因为体积太大而不利于集成。大部分组件的尺寸都在几百微米到几毫米之问， 浙江大学硕上学位论文 有些甚至达到几厘米，尺寸问题不仅仅存在于有源组件中，对于许多简单的无源 组件( 滤波器、复用解复用器) ，甚至在互连弯曲波导耦合器分路器中都普遍 存在这个问题。在大部分情况下，这种丈尺寸器件是由波导的低折射率差造成的。 通过增加波导芯、包层折射率差，光限制就可以得到提高，但为了保持波导的单 模条件，我们必须减小波导芯层尺寸。为了保持单模，波导的几何尺寸需要变得 很小，加工时必须精确控制工艺误差，这种控制甚至到了卜1 0 纳米之间，因此我 们把这种波导叫做纳米波导。有两种制作技术可以实现光在纳米结构中传输：纳 米光子线和光子晶体。 1 4 1 纳米线光波导 纳米光子线就是一种具有高折射率差和小横截面的波导，一般宽3 0 0 至u 5 0 0 纳米。强烈的光限制使得器件结构紧凑，可以实现大角度弯曲、拐角镜和环形谐 振器。和传统波导一样，纳米光子线波导利用的也是全内反射原理，实现对光的 限制与传播。因为波导芯区与周围折射率差变大，带来的一个问题就是光对侧壁 的粗糙度变得敏感，而更容易散射。因此，就需要高质量、高精度