高非线性硫系玻璃波导的设计、制备以及性能研究

【摘要】：硫系玻璃由于同时具备高的三阶非线性(约为石英材料的100～1000倍)、超快非线性响应时间、无自由载流子吸收效应和小的双光子吸收系数、大的线性折射率以及很宽的红外透过范围等特性,近年来作为超快全光非线性光子集成器件的理想基质材料得到了广泛的关注。将其与集成光子学结合,形成了一门独特的研究领域——“硫系光子学”。硫系光波导的制备与目前成熟的半导体工艺兼容,可以方便的实现光电单片集成,是“硫系光子学”领域的关键技术之一。国际上很多知名研究机构在硫系光波导器件的制备及全光应用方面做了大量创新性研究工作,制作出高性能的非线性光器件,并将其成功应用于超快Tbit/s速率的全光信号再生、波长转换、全光复用/解复用、全光模数转换和逻辑门、超连续谱产生等领域,目前国内在该方面的研究尚属空白,因此制作低损耗的硫系平面光波导器件在未来的超高速全光通信系统中具有重要意义。 本论文利用自制的Ge-Sb-Se无砷环保型硫系玻璃作为靶材,采用磁控溅射法制备了高质量的Ge-Sb-Se硫系薄膜,对其各项性能参数进行测试。在此基础上,对波导进行结构设计,采用传统光刻和干法刻蚀制备了Ge-Sb-Se光波导,对波导的刻蚀形貌和传输损耗进行测试,并对波导中的三阶非线性效应进行研究。全文研究内容如下： (1)利用传统的熔融淬冷法制作组分为Ge20Sb15Seb65的三元体系大口径玻璃棒,直接在其上切割圆片作为镀膜所需的靶材。采用高纯氩气作为溅射工作气体,通过改变氩气气压和射频功率等工艺参数,用磁控溅射法在Si/SiO2衬底上制备了6组Ge-Sb-Se薄膜。采用各种方法测试薄膜的各项性能参数,以研究工艺条件对薄膜性能的影响。其中薄膜的晶相结构采用X射线衍射法测试,化学组分采用能谱仪测试、端面和表面形貌采用表面轮廓仪和扫描电镜测试,折射率、厚度和带隙等光学参数采用光谱反射法测试,薄膜的损耗采用棱镜耦合法测试。测试结果表明沉积的6组薄膜都是非晶态的。其中在优化的工艺条件下制备的2组薄膜,其质地均匀致密；端面和表面光滑,无明显孔隙、裂纹和柱状结构；薄膜损耗约为0.25dB/cm。与玻璃靶材相比,薄膜的结构没有明显的变化,其组分和折射率有所偏差但基本一致。 (2)从麦克斯韦方程出发,建立了Ge-Sb-Se波导的本征波动方程,并讨论了波导的色散裁剪理论,采用有限差分法计算波导的模式和色散。选择2组性能较好的薄膜作为研究对象,根据现有的实验条件分别设计了两种深宽比结构的共8组微米尺寸的脊型波导。对波导的有效折射率、色散、模场分布和有效模面积等参数进行仿真计算,研究上述参数与波导尺寸之间的关系。 (3)按照设计的波导尺寸,采用与标准的半导体工艺兼容的紫外光学光刻以及电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺分别在厚度为830nm和1360nm的Ge20Sb15Se65薄膜上制备了宽度为1～4μm的脊型光波导。由于大多数硫系玻璃材料溶于碱性显影液,本论文采用200nm厚的SU-8作为保护层以防止硫系薄膜受到显影液的侵蚀。利用Ⅰ线接触式光刻机和涂胶/显影综合系统完成涂胶、曝光和显影等光刻工艺。采用CHF3作为刻蚀气体使刻蚀过程中保护和刻蚀同时进行,利用其增强的聚合物沉积获得各向异性的刻蚀和合适的刻蚀速率。研究波导的刻蚀性能与工艺参数之间的关系和机理,在此基础上,优化工艺条件完成了波导的制备。测试结果表明制备的Ge-Sb-Se波导具有垂直的刻蚀剖面,且侧壁和刻蚀表面光滑。 (4)对Ge20Sb15Se65波导的耦合损耗和散射损耗进行理论分析和数值仿真,并利用相关设备搭建损耗测试平台,测试波导的插入损耗。由于所制备的波导横截面积较小,我们利用精密三维耦合平台和直径为2.5μm的透镜光纤进行波导的输入输出耦合。用截断法测试了波导的传输损耗,其中厚度为830nm的薄膜上制备的脊宽为3μm和4μm的波导,其传输损耗分别为0.62dB/cm和0.7dB/cm。采用汞疝灯作为宽带光源测试了波导的传输谱,分析了波导中主要的损耗来源。 (5)研究硫系波导中的三阶非线性效应。基于广义非线性薛定谔方程建立理论模型,研究光脉冲在Ge-Sb-Se波导中的传输特性。利用分步傅里叶法对Ge-Sb-Se波导中基于自相位调制的频谱展宽和基于简并四波混频的波长转换进行理论分析和数值仿真,着重研究色散的影响。研究了波导中超连续谱产生的机理,通过仿真计算,分析了色散和各种非线性效应对超连续谱产生的影响,从理论上验证了基于Ge-Sb-Se波导的低阈值超连续谱产生的可行性。