第七章 集成光学器件的材料.ppt

1、第七章 集成光学器件的材料,目录,7.1 光子集成用材料的共同要求 7.2 半导体材料 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料 7.3 介质材料 7.3.1 LiNbO3和LiTaO3晶体 7.3.2 ZnO晶体 7.4 聚合物材料和玻璃材料 7.4.1 聚合物材料 7.4.2 玻璃材料 7.5 磁性材料,7.1 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、

2、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,7.2 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、光子无源器件的材料 但对于某些特性不是最佳 分为： 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料,7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 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/,7.2.1 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

3、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-Insulator, 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（

4、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,7.2.2 直接带隙半导体材料,InGaAsP材料体系（-族为主） GaAs、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.

5、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

6、器等器件 常用的包括： -LiNbO3和LiTaO3晶体 -ZnO晶体,7.3.1 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,7.3.2 ZnO晶体,具有优良的压电特性，同时具有很强的电光系数、很大的非线性光学效应 容易制成薄膜 制作工艺： 玻璃、熔融石英、SiO2/Si等非晶材料为衬底溅射ZnO薄膜 蓝宝石衬底上外延,7.4 聚合物材料和玻璃材料（无定形材

7、料）,7.4.1 聚合物材料,主要材料包括： 聚异丁烯酸甲酯（PMMA)、环氧树脂（expoxy)、苯丙环丁烯（benzocy-clobutene，BCB)、氟化聚酰亚胺（polyimide）、聚碳酸酯（polycarborates，PC） 物理特性：电光和热光 特点： 价格低，制作简单 可以淀积在半导体衬底上，易于实现混合集成 光波导损耗低、与光纤的耦合损耗也低 可以有效利用折射率的变化获得强度和相位的调制 通过调节有机材料组份以强化电光或声光特性,7.4.2 玻璃材料,熔融石英(SiO2)是最常用的波导材料 工艺： 离子交换法 火焰水解淀积(FHD)生长模层、光刻和反应离子刻蚀形成波导 衬底： Si单晶 玻璃 与SOI相比 制作简单 改变材料结构容易 热稳定性好 典型产品：多路耦合器,7.5 磁性材料,典型体材料-钇铁石榴石YIG（Y3Fe5O12) 典型薄膜材料-铋铁石榴石YIG（Bi3