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光通信中基于半导体工艺的硅基光波导技术的研究

张建立  
【摘要】:光通信技术飞速发展,其中集成平面光波导器件是光通信系统中至关重要的组成部分,而硅基二氧化硅/氮氧化硅光波导器件由于其损耗小、与半导体工艺兼容等优点广泛应用于光通信系统。 本文对硅基光波导进行了理论分析和模拟设计,从光波导的理论基础和模式分析入手,介绍了束传播法、有限差分法、有效折射率法在光波导理论计算中的应用。应用基于完美匹配层边界条件(PML-BC)的广角有限差分束传播方法(FD-BPM),分析了介质光波导的表面粗糙度对波导性能的影响。在计算中采用高效的非均匀网格法,并用(2,2)阶Padé近似的广角BPM对光在表面粗糙的直波导中的传输特性进行了计算模拟。模拟结果表明,波导的损耗随着粗糙度的增大而增大,要使损耗在0.1dB/cm以下,则波导表面粗糙度应限制在100nm以内。 在硅基二氧化硅/氮氧化硅光波导的工艺制作方面,最关键的是制作高品质的平面薄膜波导。本文先以SiH_4、N_2O作为反应气体,采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术,不使用掺杂,在4英寸单晶硅片衬底上制备了生长速率为2μm/hr~10μm/hr,折射率在1.44到1.47之间连续变化的表面平整光滑的二氧化硅薄膜。然后在前面沉积二氧化硅的基础上,在反应气体中加入高纯的NH_3,适当调整各个工艺条件,在单晶硅衬底上制备了生长速率为1μm/hr~4μm/hr,折射率可在1.48~1.7之间连续变化的表面平整光滑的高折射率氮氧化硅薄膜。通过棱镜耦合仪、傅立叶变换红外光谱、扫描电子显微镜等测试手段,分析了薄膜的结构和光学特性,研究了薄膜特性(折射率、沉积速率、均匀性)和工艺参量(基片加热温度、射频输出功率、压强、各种气体流量比例)之间的关系,探讨在不使用剧毒危险性气体GeH_4的情况下,如何以快的生长速率获得折射率控制精确且红外投射性能满足波导制作要求、微观表面平整,颗粒均匀的厚二氧化硅/氮氧化硅薄膜。两层不同折射率的二氧化硅/氮氧化硅薄膜制备好后,再根据设计好的波导图形,经过光刻,感应耦合等离子体刻蚀(ICP)等工艺,制成所需要的光波导器件,如本研究中心制成的AWG、EDG等。


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