SOI光波導器件及其增透膜的研究.pdf

1、由于其特殊的結(jié)構(gòu)，SOI(Silicon-on-insulator)材料具有優(yōu)良的光學和電學性能，為超大規(guī)模集成電路(VLSI:VeryLargeScaleIntegration)和平面波導技術(shù)提供了一個共同的平臺。SOI光波導制作工藝與成熟的硅基CMOS工藝相兼容，SOI材料不僅可以制備無源和有源光電子器件，而且還可以和MEMS器件集成。SOI材料上的光電器件的單片集成是光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。本論文對SOI大截面脊形波導器件及其相關(guān)的

2、增透膜進行了研究。 為減少SOI波導端面菲涅耳反射損耗，尋找合適的增透膜，分別采用PECVD方法制備了SiNxOy：H薄膜、IBAD方法制備了氮氧化硅薄膜和電子束蒸發(fā)的方法制備了HfO2薄膜。通過橢圓偏振儀、X-ray光電子能譜、分光計等設(shè)備，對制備薄膜的光學性能、成分進行了表征。相關(guān)的光學試驗結(jié)果表明這三種薄膜都是適合硅基光器件的良好的單層增透膜。其中，在光通信窗口1550nm處，通過鍍厚度為185nm的HfO2單層薄膜，雙面

3、拋光硅片的菲涅耳損耗降至0.022dB。對于SOI脊形波導器件，從工藝的實際實現(xiàn)條件上，PECVD方法制備SiNxOy：H薄膜受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，不適用波導的端面鍍膜；IBAD方法制備氮氧化硅薄膜對于拋光后的SOI端面沉積薄膜不受影響，但是對于集成的波導器件，沉積過程受到限制；電子束蒸發(fā)的方法制備HfO2薄膜由于其特殊的沉積方式，只要有特殊的夾具夾持波導器件，使波導端面垂直于蒸發(fā)方向，即可獲得高度均勻的HfO2薄膜，對于集成的波導器件依

4、然可行，這是一種方便簡易的鍍膜方法。 根據(jù)SOI脊形波導單模理論，采用電感耦合反應離子刻蝕制備了高垂直度的SOI脊形波導。為了更好的和光纖耦合，摸索了集成光波導器件的制備工藝。通過對V型槽、U型槽陣列和波導集成的研究，進一步優(yōu)化了集成SOI波導器件的制備工藝。 采用U型槽陣列制備了集成的光波導器件，成功地實現(xiàn)了在集成波導端面的沉積HfO2增透膜。在此基礎(chǔ)上，對于集成的Y分支和T分支器件進行了研究，對于這些基本器件的研究為

5、后續(xù)工作的開展打下了一定的基礎(chǔ)。對這些集成器件的光學性能基本測試表明，這些器件工作良好。由于實驗室條件所限，只能對波導器件進行一些簡單的插入損耗測試，獲得的Y分支器件平均插入損耗為4.4dB，T分支器件兩個分支的損耗分別為5.0dB和5.2dB，分光比為52:48。 分析了應用于SOI側(cè)壁散射損耗的通用的公式，并結(jié)合實際情況，把這些公式應用到目前的研究上面去。具體采用Tien的理論公式計算和分析了SOI脊形波導側(cè)壁表面和上下表面

6、造成的散射損耗。 采用原子力顯微鏡直接測試了SOI脊形波導端面和側(cè)壁的表面形貌，并對不同方法獲得的端面以及沉積增透膜后的端面進行了測量，通過獲得的表面均方根粗糙度估計了端面損耗。通過側(cè)壁表面的粗糙度估計了相應的散射損耗，并比較了模版質(zhì)量對側(cè)壁粗糙度的影響。采用原子力顯微鏡直接測量了轉(zhuǎn)彎微鏡的表面形貌，并估計了相關(guān)的散射損耗。 通過氫氣退火、真空退火、ICPRIE單步刻蝕工藝和氧化清洗工藝一系列的方法，探索研究了降低側(cè)壁和