集成光学器件的材料ppt课件

1、.,第七章四节 集成光学器件的材料,.,集成光学是以光的形式发射、调制、控制、和接收信号，集光信号的处理功能为一身的新一代集成光学器件。 其最终目的是代替目前的电子通信手段，实现全光通讯。,.,.,光子集成用材料的共同要求,包括无源器件和有源器件的集成 共同要求 要易于形成质量良好的光波导，满足器件功能要求；包括：易于实现光波导；在给定波长范围内损耗1dB/cm 集成性能良好，即在同一衬底上可以制备出尽可能多的不同功能的器件；包括制作有源器件的带隙宽度、阈值等，电/光器件的兼容性等-目前最大的困难 材料本身和加工的经济性,.,半导体材料,是目前唯一可以同时制作光子有源器件、电子有源器件、光子无

2、源器件的材料 但对于某些特性不是最佳 分为： 间接带隙半导体材料 直接带隙半导体材料,.,间接带隙半导体材料 直接带隙半导体材料,光子与半导体作用遵循 能量守恒： 动量守恒：pk,电子波矢k=2/,.,间接带隙半导体材料 -Si,优势 硅片尺寸大（12）、质量高、价格低、机械性能好、加工方便 平面硅工艺是目前最重要的IC工艺，最成熟 具有诸如电光等效应、波导损耗低、可制作光检波器件 问题-作为光源量子效率太低，载流子迁移速度低 用途 混合集成的衬底-硅基集成光子学！ 光波导及光波导器件（光分波/合波器件，） 热光/电光器件（调制器、开关，）,.,SOI光波导 (Silicon-on-Insul

3、ator, 绝缘体上硅),SOI-低功耗、高速CMOS器件的基本材料，被称为“二十一世纪的硅基础电路技术”。也具备许多优越的光学特性，比如低损耗(在光通信波段)、高折射率差，这使得它不但能用来制作灵巧紧凑的光集成器件，也为利用CMOS微电子工艺实现光电集成提供了一个很好的平台。SOI材料中作为波导芯层的硅折射率很大，与作为包层的SiO2之间有很大的折射率差,.,SOI光波导特点,可以将SiO2包覆层做的很薄（小于1微米），便于OEIC工艺的实现 具有抗核辐射能力，在空间和军工应用广泛 单模波导损耗可以很低，适合制作无源器件,.,直接带隙半导体材料,InGaAsP材料体系（-族为主） GaAs、

4、InP（二元化合物） InGaAs、AlGaAs （三元化合物） InGaAsP （四元化合物） GaN材料体系 GaN、AlN MgZnSSe材料体系 ZnSe、ZnS ZnSSe,.,表7.1 InGaAsP材料体系主要参数,.,表7.2 纤锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性,.,相的GaN为直接带隙半导体，Eg=3.39eV InxGa1-xN的Eg=1.953.39eV； AlxGa1-xN的Eg=3.397.28eV；均为直接带隙半导体材料。是紫外LED、LD的主要材料。 主要问题： 衬底材料为Al203（蓝宝石）和SiC，异质外延生长 高的缺陷密度 缺乏解理面（国家“863”计划

5、VCSEL） InGaN/GaN量子阱的发光机理不清，热电、压电 等理论和实验均有许多问题有待解决,.,表7.3 闪锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性,.,7.3 介质材料（dielectric material ）,介质材料-介电常数比较高的材料，可分为微波介质材料、光学介质材料；按材料的状态和性质分为光学晶体、光学玻璃 等 光学晶体材料：具有非常突出的电光或者声光、热光、磁光等性能，特别适合于光开关、光调制器、耦合器等器件 常用的包括： -LiNbO3和LiTaO3晶体 -ZnO晶体,.,LiNbO3和LiTaO3晶体,属于3m点群的负单轴晶体 LiNbO3很高的电光 LiNbO3很高的

6、声光系数和最小的声衰减系数（0.05dB/cm） 容易制出光、声两波场重叠系数很高的光波导和声波导，提高声光器件的效率 短波长强光密度下容易出现“光损伤” 耐热冲击性能差，加工困难,.,6.1 典型材料与制作技术,用于制作波导的不同材料，需要不同的制作技术。,.,材料与制作方法的选择需遵循下述原则： 波导层厚度和折射率的误差要小且均匀； 传输损耗小，即光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少； 在晶体情况下，纯度和光轴符合要求； 强度大，与衬底附着性好； 工艺重复性好。,.,.,各种制作方法特点,旋转甩涂法：将高分子材料溶于溶剂做成粘稠的液体，把少量的液滴滴在衬底上，通过衬底的高速旋转而得到薄膜。

7、 浸渍涂敷法：将高分子材料溶于溶剂做成粘稠的液体，把衬底浸入这种溶液中，然后将衬底提起，从而在衬底表面附着一层薄膜。 上述两种方法制作工艺最简单，成本最低，但是薄膜的纯度和均匀性也比较低。,.,加热蒸发淀积法：在高真空状态下，将蒸发材料加热使之蒸发，蒸汽分子到达衬底表面淀积下来，形成薄膜，所以该方法也称为真空蒸发镀膜法。随着蒸发的材料不同，加热的方法也不同。通常，低熔点的材料采用电阻加热蒸发法，高熔点的材料采用电子束加热蒸发法。,.,溅射法：使溅射气体（一般为惰性气体）通过放电而等离子化，位于等离子体中的靶材由于正离子的轰击，靶材的原子被打出，这些原子淀积在衬底上而形成薄膜。 溅射法特别适用于

8、难于用加热蒸发淀积法制作薄膜的高熔点材料。 上述溅射法中采用的是不与靶材发生反应的惰性气体作为溅射气体，如果改用能够与靶材发生反应的气体作为溅射气体，就会得到二者的化合物薄膜，称为反应溅射法。,.,化学气相沉积法（CVD）：以某种气体为原料，通过化学反应，在衬底上淀积薄膜。 聚合法：将单体在真空中加热使之蒸发，同时通过加热、电子束照射、紫外线照射或者等离子体照射的方法，使单体蒸汽在衬底表面淀积下来并且聚合形成薄膜。 热扩散法：先将需要进行热扩散的材料淀积在衬底的表面，然后放入高温炉中，使淀积材料扩散进衬底中，在衬底表面形成一层折射率略高的扩散层。扩散材料随纵向深度的浓度分布是从大到小的平滑分布，又称为内扩散。,.,与内扩散法相对应的是外扩散法。外扩散法是将衬底加热，使衬底内部的物质往外部扩散出去，以制作高折射率层。 离子交换法：将衬底浸入某种溶液中，通过衬底中的离子与溶液中的离子之间