SOI光波导器件及其增透膜的研究

【摘要】：由于其特殊的结构,SOI(Silicon-on-insulator)材料具有优良的光学和电学性能,为超大规模集成电路(VLSI:Very Large Scale Integration)和平而波导技术提供了一个共同的平台。SOI光波导制作工艺与成熟的硅基CMOS工艺相兼容,SOI材料不仅可以制备无源和有源光电子器件,而且还可以和MEMS器件集成。SOI材料上的光电器件的单片集成是光电子产业的发展方向。本论文对SOI大截面脊形波导器件及其相关的增透膜进行了研究。 为减少SOI波导端面菲涅耳反射损耗,寻找合适的增透膜,分别采用PECVD方法制备了SiN_xO_y:H薄膜、IBAD方法制备了氮氧化硅薄膜和电子束蒸发的方法制备了HfO_2薄膜。通过椭圆偏振仪、X-ray光电子能谱、分光计等设备,对制备薄膜的光学性能、成分进行了表征。相关的光学试验结果表明这三种薄膜都是适合硅基光器件的良好的单层增透膜。其中,在光通信窗口1550nm处,通过镀厚度为185nm的HfO_2单层薄膜,双面抛光硅片的菲涅耳损耗降至0.022dB。对于SOI脊形波导器件,从工艺的实际实现条件上,PECVD方法制备SiN_xO_y:H薄膜受到设备结构的限制,不适用波导的端面镀膜;IBAD方法制备氮氧化硅薄膜对于抛光后的SOI端面沉积薄膜不受影响,但是对于集成的波导器件,沉积过程受到限制;电子束蒸发的方法制备HfO_2薄膜由于其特殊的沉积方式,只要有特殊的夹具夹持波导器件,使波导端面垂直于蒸发方向,即可获得高度均匀的HfO_2薄膜,对于集成的波导器件依然可行,这是一种方便简易的镀膜方法。 根据SOI脊形波导单模理论,采用电感耦合反应离子刻蚀制备了高垂直度的SOI脊形波导。为了更好的和光纤耦合,摸索了集成光波导器件的制备工艺。通过对V型槽、U型槽阵列和波导集成的研究,进一步优化了集成SOI波导器件的制备工艺。 采用U型槽阵列制备了集成的光波导器件,成功地实现了在集成波导端面的沉积HfO_2增透膜。在此基础上,对于集成的Y分支和T分支器件进行了研究,对于这些基本器件的研究为后续工作的开展打下了一定的基础。对这些集成器件的光学性能