SOI集成光波导的制备及传输特性研究

由于传统的电子器件无法满足当今社会对信息传输容量大、速率高的要求，光波导技术应运而生，并成为实现光电集成和光子器件最具潜力的基础结构。SOI光波导具有单晶硅材料的优势，又具有高折射率对比度，同时与CMOS工艺完全兼容。随着纳米光子学及微加工工艺的发展，基于SOI材料的光电器件的单片集成成为光电子产业的重要发展方向。而高性能硅基光波导器件的实现依赖于超低损耗的光波导结构单元，光能量沿波导表面以倏逝场形式传输，波导的结构尺寸、传输模态、表面粗糙度等是影响光传输损耗的重要因素。因此，通过研究SOI光波导的传输特性与制备过程从而实现超低损耗的SOI光波导，具有重要的科学意义及应用价值。本论文的主要成果包括：1.在理论上，对SOI光波导的传输模态进行了研究，对矩形光波导在TE模态下的有效折射率、导模的截止、单模传输条件进行了分析，并对SOI光波导的传输损耗类型及表征方法进行了总结。对SOI光波导的单模传输条件进行了时域有限差分法(FDTD)仿真，对不同宽度的SOI波导进行了光场特性仿真，对不同半径的环形波导进行了弯曲损耗仿真。在理论研究及仿真结果的基础上设计了直波导、90度弯曲波导、180度弯曲波导结构、环形波导等结构。2.在SOI集成光波导的制备方面，本论文中主要进行了四寸整片工艺和分片工艺，整片工艺主要采用紫外光刻、感应耦合等离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀加工而成，实现了最小宽度为1μm的光波导制造，分片工艺主要采用电子束光刻、磁控溅射、感应耦合等离子刻蚀等几种工艺，实现了最小宽度为500nm的波导制造。3.在测试方面，本论文对不同工艺制作的SOI波导分别进行了耦合效率及传输损耗的测试，测试手段主要借助SEM、AFM、光学测试平台等。对比得到端面耦合和垂直纳米光栅的耦合效率分别为12%和47%，并测得两批SOI矩形直波导的传输损耗分别为8.32 dB/ cm和4.67 dB/ cm，测得半径为20μm、宽度为500nm的环形波导损耗为0. 02±0.001dB /bend。