中紅外透明薄膜材料和集成光學(xué)器件研究.pdf

1、近年來，片上集成光波導(dǎo)和諧振器器件引起了研究者的極大的興趣。利用高折射率對比光波導(dǎo)材料，小體積，高集成度的光學(xué)器件已實現(xiàn)在光通信、光互連和光傳感微系統(tǒng)中的應(yīng)用。集成光波導(dǎo)材料應(yīng)具備的關(guān)鍵性能是高折射率、寬透明波段和低傳輸損耗。然而目前集成光波導(dǎo)材料包括絕緣體硅、氮化硅、二氧化硅和硫系玻璃存在折射率范圍窄，透明波段窄或者半導(dǎo)體工藝不兼容等問題，制約了器件的發(fā)展。
　　針對以上問題，本文提出基于HfO2，ZrO2和TiO2等高K氧化物

2、材料做為紅外光波導(dǎo)器件。利用材料高折射率，半導(dǎo)體工藝兼容及寬透明波段的特點，解決目前集成光學(xué)材料折射率、透明波段窄或半導(dǎo)體工藝不兼容的問題。本文著力探討非晶高 K氧化物薄膜材料的制備方法和光學(xué)性能，并利用微納加工工藝制備出近紅外和中紅外波導(dǎo)和諧振器，獲得低損耗高K氧化物集成光學(xué)器件。
　　首先，論文對光波導(dǎo)理論及模式的數(shù)值解法做了介紹，包含光波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)和概念、平板波導(dǎo)模式的解析解法、脊形波導(dǎo)的有效折射率近似解法和幾種常用的數(shù)值

3、計算方法。介紹了光學(xué)微環(huán)諧振器的工作原理，并給出了利用微環(huán)諧振器來測量波導(dǎo)傳輸損耗的方法。對實驗中用到的工藝和測試手段做了介紹。
　　其次，通過復(fù)合靶反應(yīng)濺射法沉積了Zr1-xTixO2（ZTO）薄膜，用直流射頻反應(yīng)共濺射法沉積Hf1-xTixO2(HTO)薄膜。利用X光衍射儀，紫外-可見分光光度計，傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀，X射線光電子能譜，原子力顯微鏡和橢偏儀對材料結(jié)構(gòu)和光學(xué)常數(shù)系統(tǒng)表征，獲得了非晶、高透明度、表面平坦且折射率可隨

4、成分變化的ZTO和HTO薄膜，為波導(dǎo)和諧振器器件提供了材料基礎(chǔ)。
　　然后，利用有限元方法和仿真軟件 COMSOL研究近紅外波段通道波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)的幾何尺寸對波導(dǎo)模式的影響，并找出單模波導(dǎo)的條件。利用光刻、電子束曝光、沉積剝離等工藝制備出HfO2波導(dǎo)和諧振器，并采用端面耦合法表征了波導(dǎo)和諧振器的性能；通過調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)，得到了損耗低的HfO2波導(dǎo)和諧振器。
　　最后，仿真出Ge23Sb7S70/Zr0.6Ti0.4O2中紅外