光波導(dǎo)材料的特性

光波導(dǎo)材料的特性

1硅基光濾波器的研制光波是光路及其組件中最基本的組件，其功能與電路上的導(dǎo)線相似，用于在不同組件之間連接光路。它主要用于限制、傳輸和融合。作為目前研究得最透徹的半導(dǎo)體材料,硅材料容易得到、成本低廉且工藝成熟。硅在微電子領(lǐng)域的成功引導(dǎo)人們考慮其在光學(xué)上的應(yīng)用。硅在石英光纖的長(zhǎng)波長(zhǎng)低損耗窗口(即1.3~1.6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi))是透明的,這使其在導(dǎo)波光學(xué)方面的應(yīng)用成為可能。因此隨著光纖通信的迅猛發(fā)展,全硅光集成技術(shù)成為該領(lǐng)域中的重要方向。純粹的硅對(duì)光是沒有限制作用的,必須在硅上形成對(duì)光起限制作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)才能制作硅的導(dǎo)波光學(xué)器件。硅基光波導(dǎo)主要包括硅基Ⅳ族波導(dǎo)和硅基聚合物波導(dǎo)。其中硅基Ⅳ族波導(dǎo)主要包括外延硅/重?fù)诫s硅波導(dǎo)、SiO2光波導(dǎo)、SiGe/Si合金光波導(dǎo)和SOI光波導(dǎo)等。2光導(dǎo)電材料用于制作光波導(dǎo)器件的材料主要有Ⅲ-Ⅴ族化合物材料、鐵電氧化物材料和硅基材料,這幾種類型的材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)。Ⅲ-Ⅴ族化合物材料是用來制造光波導(dǎo)器件的一種很好的材料,這類材料的最大優(yōu)點(diǎn)是可以與有源器件(如激光器、光探測(cè)器、光放大器等)實(shí)現(xiàn)單片集成,但這類材料也存在著明顯的不足。首先,這類材料的光傳輸損耗比較大(0.5dB/cm),因而較難用來制作低損耗的光波導(dǎo)器件;另外一個(gè)不足是這類材料的價(jià)格非常昂貴,增加了器件的成本。鐵電氧化物材料(主要是LiNbO3)的最大優(yōu)點(diǎn)是具有較大的電光系數(shù),比非鐵電材料高一個(gè)數(shù)量級(jí),可獲得快的電光響應(yīng);這類材料具有寬的光透明范圍(從可見到紅外),好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。但這類材料制成的光波導(dǎo)器件不能與其他電子器件集成,而且這類材料制成的光波導(dǎo)器件的損耗比較大。硅在微電子領(lǐng)域里已經(jīng)成為不可替代的材料,在光子學(xué)領(lǐng)域,硅也正在逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。硅在光通訊波段對(duì)光的吸收很小,而且其加工工藝和集成電路工藝非常成熟,因此隨著光纖通信的迅猛發(fā)展,全硅光集成技術(shù)成為該領(lǐng)域中的重要方向。硅是共價(jià)鍵間接帶隙半導(dǎo)體材料,發(fā)光效率和電光系數(shù)小,少數(shù)載流子遷移率低,阻礙了硅在光電子領(lǐng)域的發(fā)展。目前,OEIC技術(shù)中的主要材料是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料,如AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP,但硅材料用于光電子有很多優(yōu)點(diǎn):·易得、價(jià)廉,可以得到完整晶格結(jié)構(gòu)的大尺寸硅片;·良好的熱學(xué)性質(zhì),可以直接作為集成新片的熱沉,受環(huán)境影響小,毒性小;·電學(xué)性能好,根據(jù)不同工藝,硅可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體;·機(jī)械性能好,便于封裝和安裝;·表面氧化和拋光后是淀積薄膜的理想表面。各向異性腐蝕可得到光滑的條形、脊形結(jié)構(gòu)和V形槽;條形、脊形結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器等光波導(dǎo)器件的基本結(jié)構(gòu),V形槽是集成和封裝時(shí)用作對(duì)準(zhǔn)的理想結(jié)構(gòu);·易與硅微電子工藝兼容。成熟的工藝和材料直接為制備硅光電子器件所采用,使硅光電集成技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益上占有優(yōu)勢(shì)。3硅基熒光器件硅基光子器件從20世紀(jì)70年代,人們開始了通信用光波回路的研究,開始的想法是研制光學(xué)超級(jí)芯片,在這個(gè)芯片里含有光發(fā)射器、調(diào)制器、放大器、隔離器、探測(cè)器以及這些器件的控制電路等,但是還沒有一種材料適合制作上述所有的器件,也就是說“光回路還需要找到它們的硅材料”——這是比擬硅在微電子領(lǐng)域的統(tǒng)治地位而說的。與在微電子領(lǐng)域的統(tǒng)治地位相反,硅并不是很好的光子材料,因此在光子領(lǐng)域并沒有得到足夠的重視。從20世紀(jì)80年代中期開始,研究者便開始進(jìn)行相關(guān)研究,期望使硅成為實(shí)用的光材料,然而,和其他諸如Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體、鈮酸鋰、二氧化硅等材料相比,沒有取得突破性的進(jìn)展。一些小的進(jìn)展不足以使大家的注意力從其他材料上轉(zhuǎn)移到硅材料上來。硅之所以不能成為好的光材料,主要有以下兩個(gè)原因。首先硅是間接帶隙材料,沒有本征發(fā)光機(jī)制,這意味著不可能用常規(guī)手段在硅上制作出高效率的發(fā)光器件,如激光器。Ⅲ-Ⅴ化合物族材料由于直接帶隙的優(yōu)點(diǎn)成為制作激光器的首選。另外硅的晶體結(jié)構(gòu)是中心反演對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以沒有直接電光效應(yīng)(Pockels效應(yīng))。不能用快速的直接電光效應(yīng)制作高速調(diào)制器件。在鈮酸鋰等具有直接電光效應(yīng)的材料上,通過加電場(chǎng)可以調(diào)節(jié)材料的折射率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制,這種器件的調(diào)制頻率可以達(dá)到10GHz。其他的電調(diào)制方式還有電吸收調(diào)制、電折射調(diào)制等,但這些效應(yīng)在硅材料中都較弱。另外還可以通過熱光效應(yīng)來改變硅的折射率,但是熱調(diào)制方式相對(duì)較慢,為微秒量級(jí)。還可以通過諸如自由載流子的方式對(duì)硅的折射率進(jìn)行調(diào)制,這種間接電光效應(yīng)稱為載流子色散效應(yīng),它會(huì)同時(shí)導(dǎo)致載流子吸收。受到載流子擴(kuò)散速度、復(fù)合速度的限制,這種調(diào)制方式也比較慢,雖然有文獻(xiàn)報(bào)道可以達(dá)到吉赫茲的速度,但實(shí)際器件的調(diào)制速率只有20MHz。但是最近實(shí)現(xiàn)的幾項(xiàng)重大進(jìn)展使硅基光電子集成變得可行起來。首先研究結(jié)果朝著硅基發(fā)光,特別是硅基激光器的方向前進(jìn)了一大步。實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光的技術(shù)有摻稀土元素鉺發(fā)光、利用低維結(jié)構(gòu)的量子限制效應(yīng)發(fā)光、位錯(cuò)工程、拉曼放大等技術(shù)。最近新加坡的STMicroelectronics實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的硅基發(fā)光二極管。更值得大家關(guān)注的是,2004年臺(tái)灣的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硅基的電注入光受激輻射,向著硅基激光器前進(jìn)了一大步。另一方面Intel公司在2004年初利用成熟的微電子工藝實(shí)在SOI上現(xiàn)了調(diào)制速率達(dá)到吉赫茲的光調(diào)制器,他們的器件利用自由載流子色散效應(yīng),采用MZ結(jié)構(gòu),調(diào)制區(qū)和CMOS二極管結(jié)構(gòu)相似,可以采用目前非常成熟的CMOS工藝制作。此后2007年他們進(jìn)一步研制了調(diào)制速率達(dá)到20GHz的光調(diào)制器。Intel公司的突破給我們提供了一種在Si上制作更高速的光器件的方向。4硅光束材料硅基光波導(dǎo)材料主要包括聚合物、外延硅/重?fù)诫s硅、SiO2,SOI和SiGe/Si等。4.1聚合物材料的光學(xué)特性硅基聚合物光波導(dǎo)制備工藝簡(jiǎn)單,傳輸損耗小,但熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥圆钍瞧渲旅觞c(diǎn)。用聚合物材料制作光波導(dǎo)器件是目前研究的熱點(diǎn)之一。從普遍意義上講,聚合物材料易于合成、取材廣泛、價(jià)格低廉,可以最終得到性價(jià)比高的器件;各種特殊的聚合物材料還具有各自特殊的光學(xué)特性,如中心對(duì)稱聚合物的光學(xué)偏振不靈敏性、氟化聚合物的低光學(xué)損耗等;另外,一般的聚合物都具有較大的熱光系數(shù)(~-10-4K-1),比SiO2材料高一個(gè)量級(jí),可以利用熱光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)材料折射率的調(diào)制;另外,聚合物材料可以直接淀積在Si襯底上,可以實(shí)現(xiàn)光電集成;目前,聚合物材料的光傳輸損耗已經(jīng)可以做到比較低(在1.3μm約為0.1dB/cm,在1.55μm約為0.5dB/cm),因而可以用來制作低損耗的器件。聚合物材料目前所面臨的困難主要是環(huán)境條件(溫度、濕度)的變化對(duì)聚合物材料性能的影響,為確保長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性,要求聚合物玻璃化溫度高。如何保持聚合物材料在高溫下的光學(xué)、機(jī)械和物理特性仍然是一項(xiàng)艱巨的課題。4.2光導(dǎo)數(shù)和光同一摻雜濃度對(duì)襯底硅平均分辨率的影響在硅基Ⅳ族波導(dǎo)中,最早提出的用于1.3~1.6μm波長(zhǎng)范圍的硅基光波導(dǎo)是摻雜硅光波導(dǎo)。外延硅/重?fù)诫s硅波導(dǎo)是采用常規(guī)的外延工藝在重?fù)诫s低阻的硅襯底上外延生長(zhǎng)一層輕摻雜的硅單晶層而形成。摻入不同濃度的淺能級(jí)雜質(zhì)會(huì)引起的輕摻雜硅外延層折射率的變化。摻入雜質(zhì)時(shí),在室溫下雜質(zhì)電離形成載流子。根據(jù)色散理論,載流子引起吸收系數(shù)和折射率的變化。由于襯底和外延層摻雜濃度不同,二者的折射率也不同,這樣就在外延層和襯底硅之間產(chǎn)生了折射率差,形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。外延層的折射率比襯底高,因而外延層為波導(dǎo)層,襯底為限制層。Soref等首先研制了摻雜硅多模平板波導(dǎo)外延硅的厚度為7~43μm,摻雜濃度為1014cm-3,襯底硅的摻雜濃度為1018~1019cm-3,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多模波導(dǎo)的傳輸損耗為5~13dB/cm,脊形結(jié)構(gòu)單模波導(dǎo)的損耗為15~20dB/cm。A.Splett等研制了脊形結(jié)構(gòu)n/n+硅單模光波導(dǎo),通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在1.3μm時(shí)波導(dǎo)的損耗為1.2dB/cm,在1.55μm時(shí)損耗為1.5dB/cm。盡管增加襯底的摻雜濃度可以增大外延硅和襯底硅之間的折射率差,波導(dǎo)的損耗將會(huì)進(jìn)一步降低,但靠摻雜形成的折射率差不可能很大,該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)層和下覆蓋層的折射率相差約為10-3,對(duì)光場(chǎng)的限制有限。同時(shí)重?fù)诫s硅襯底中高濃度的載流子對(duì)光具有較大的吸收作用,將使得滲透到襯底部分的光場(chǎng)有較大的衰減,因此硅外延型光波導(dǎo)的傳輸損耗過大而無實(shí)用價(jià)值,難以滿足光集成的實(shí)際要求。4.3sio材料的生長(zhǎng)和對(duì)器件加工的影響SiO2是最早用來制造光波導(dǎo)器件的材料,有很多非常突出的優(yōu)點(diǎn)。首先,SiO2是制造通信用光纖的主要材料,利用SiO2制成的光波導(dǎo)器件與單模光纖的耦合損耗很低;SiO2光波導(dǎo)的包層和芯層都是SiO2,由于摻雜不同而形成光波導(dǎo)。通常所摻雜質(zhì)為TiO2,GeO2,P2O3。用這種材料制成的光波導(dǎo)器件因材料本身的吸收引起的損耗比較低;光波導(dǎo)損耗很小,如波長(zhǎng)為1.55μm的光信號(hào)在SiO2材料的CorningSM-28光纖中的損耗為0.2dB/km,傳輸損耗非常小,在折射率差為0.75%的摻GeO2的SiO2的單模波導(dǎo)損耗甚至可低到0.04dB/cm。SiO2是弱限制波導(dǎo),波導(dǎo)折射率差僅為0.1%~0.75%,這就要求覆蓋層很厚。一般SiO2波導(dǎo)厚度為50μm。SiO2材料具有一定的熱光系數(shù),能夠制成利用熱光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)功能的器件,如:熱光開關(guān)、熱光衰減器、熱相位補(bǔ)償?shù)年嚵胁▽?dǎo)光柵;SiO2材料可以直接生長(zhǎng)在單晶Si上,因而能夠?qū)崿F(xiàn)光電集成;另外,SiO2材料具有很高的環(huán)境穩(wěn)定性,不受溫度、酸堿度以及濕度等條件的影響。SiO2波導(dǎo)的工藝很成熟,而且是光子回路很好的平臺(tái)。但它與電子集成回路(IC)的工藝不兼容。而且較厚的介質(zhì)層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,影響器件性能。另外,波導(dǎo)對(duì)光的弱的限制作用使得集成波導(dǎo)器件不可能做得很緊湊。同時(shí)利用SiO2材料來制作光波導(dǎo)器件也面臨一些挑戰(zhàn),其中最主要的困難就是材料的均勻性問題,目前,用各種方法生長(zhǎng)的SiO2材料的均勻性都不是很好,對(duì)于一些尺寸較小、對(duì)材料均勻性要求不高的器件如可變光學(xué)衰減器、光開關(guān),采用SiO2材料并不會(huì)對(duì)器件性能造成重要影響,但是對(duì)于像陣列波導(dǎo)光柵(AWG)這類對(duì)材料均勻性要求非常高的器件,采用均勻性差的SiO2材料就會(huì)導(dǎo)致器件性能的急劇下降;用SiO2材料制作的器件,波導(dǎo)芯層常常較厚,而SiO2材料很硬,給刻蝕帶來一定的困難;另外,在Si襯底上生長(zhǎng)SiO2材料,由于SiO2與Si的熱膨脹系數(shù)不同而在SiO2層中引入應(yīng)力,從而對(duì)器件的偏振特性造成嚴(yán)重影響,在器件設(shè)計(jì)時(shí)常常需要作特殊的處理,因而增加了器件設(shè)計(jì)上的難度。4.4ge/sig波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模擬SiGe/Si光波導(dǎo)具有可與高速電子或者光電子器件集成的特點(diǎn)。在Si上進(jìn)行GeSi異質(zhì)外延或者Ge的內(nèi)向擴(kuò)散時(shí),調(diào)節(jié)SiGe合金中Ge的含量可以改變SiGe合金的折射率,制成不同折射率差的SiGe/Si光波導(dǎo)。SiGe合金光波導(dǎo)有兩種制作方法:Si上SiGe異質(zhì)外延生長(zhǎng)和Ge擴(kuò)散。SiGe合金的異質(zhì)外延有MBE和CVD等方法。由于Si1-xGex同Si之間存在晶格失配,在外延層中將會(huì)存在應(yīng)力,當(dāng)外延層厚度達(dá)到一定的厚度時(shí)將會(huì)在外延層中產(chǎn)生位錯(cuò)。因此為了保證應(yīng)變層沒有失配位錯(cuò),外延層必須小于某一臨界厚度,要得到無位錯(cuò)大尺寸SiGe/Si光波導(dǎo),Ge組分含量應(yīng)受到限制。A.Splett等用MBE生長(zhǎng)3.45μm厚的應(yīng)力Si0.99Ge0.01光波導(dǎo),制成脊形單模波導(dǎo),波長(zhǎng)為1.3μm時(shí)損耗為35dB/cm。R.A.Soref等人用CVD外延生長(zhǎng)了無應(yīng)力Ge組分含量為1%和18%的10μm厚的SiGe外延層,并在上面附加一層Si層,制成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu),對(duì)TE模損耗為3.2dB/cm,TM模的損耗為1.9dB/cm。與外延SiGe波導(dǎo)相比,Ge擴(kuò)散波導(dǎo)的制作更簡(jiǎn)單,而且波導(dǎo)損耗更小。利用擴(kuò)散區(qū)折射率的不同形成光波導(dǎo)。J.Schinidtch等采用Ge內(nèi)向擴(kuò)散制作了SiGe光波導(dǎo),波導(dǎo)損耗可低于0.3dB/cm。SiGe/Si光波導(dǎo)具有與CMOS電路工藝兼容的特點(diǎn),可制作高速CMOS器件,因而可以制作光電集成芯片。然而,對(duì)SiGe/Si光波導(dǎo),由于在材料生長(zhǎng)中SiGe和Si的晶格不匹配,波導(dǎo)層SiGe的應(yīng)變層厚度受到臨界厚度的限制。當(dāng)超過臨界厚度時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的失配位錯(cuò),破壞材料的物理特性。因此SiGe/Si光波導(dǎo)在幾何尺寸上與光纖存在很大的不匹配,與光纖耦合損耗大,限制了其在集成光學(xué)中的應(yīng)用。采用開放型大截面脊形波導(dǎo)可以解決上述問題,脊形光波導(dǎo)在水平方向上有較小的限制效應(yīng),等效折射率差很小,可以實(shí)現(xiàn)大截面尺寸SOI波導(dǎo)的單模傳輸,截面尺寸可與單模光纖的芯徑相匹配,大大的提高了波導(dǎo)與光纖的耦合效率。4.5采用私用材料的方法絕緣襯底上的薄膜硅材料(silicon-on-insulator,SOI)是一種新型的Si材料,作為絕緣體的材料通常為SiO2,也有采用SiON或藍(lán)寶石的,其中采用Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的SOI光波導(dǎo)研究得最多。SOI材料最初是為了滿足微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的,SOI上可以制作各種高性能及抗輻射電子電路。SOI材料用于導(dǎo)波光電子器件的研究還是在20世紀(jì)80年代后期,當(dāng)時(shí)主要認(rèn)為它可以用來制作介質(zhì)光波導(dǎo)。進(jìn)入90年代以后,才開始研究SOI光波導(dǎo)、SOI無源導(dǎo)波器件以及SOI有源導(dǎo)波器件(主要是調(diào)制器和開關(guān))。SOI脊形波導(dǎo)是硅基集成光電子器件的基礎(chǔ)。由于Si的折射率(n=3.5)比SiO2(n=1.5)和空氣(n=1)的大得多,要使封閉結(jié)構(gòu)的SOI平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)只支持基模傳輸形成單模波導(dǎo),波導(dǎo)的橫向尺寸要小于0.2μm。而標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的芯區(qū)直徑大于8μm。由于波導(dǎo)基模場(chǎng)和單模光纖的模場(chǎng)非常不匹配,光纖和波導(dǎo)的耦合效率極低,不利于減小器件的插入損耗。與SiGe/Si光波導(dǎo)類似,可以采用開放型大截面脊形波導(dǎo)解決了上述問題,提高波導(dǎo)與光纖的耦合效率。此外,R.soref等人已證明SOI大截面脊形波導(dǎo)的單模傳輸當(dāng)SOI波導(dǎo)的厚度H>λ時(shí),波導(dǎo)的損耗與厚度H滿足1/H3的關(guān)系。采用大截面脊形波導(dǎo)可降低波導(dǎo)的損耗。隨著SOI材料和波導(dǎo)制作工藝的不斷完善,SOI波導(dǎo)的傳輸損耗不斷降低,從最初的十幾dB/cm到低于1dB/cm。U.Fisher等制作的大截面尺寸脊形SOI單模波導(dǎo)傳輸損耗小于0.1dB/cm與單模光纖的耦合損耗低達(dá)0.17dB/cm。因?yàn)樯鲜鲈?SOI脊形光波導(dǎo)成為了Si基集成光學(xué)中一種重要結(jié)構(gòu),是其他有源和無源器件的基礎(chǔ)。與SiO2,SiGe光波導(dǎo)相比,SOI光波導(dǎo)制備工藝更加成熟,也更容易實(shí)現(xiàn)光電集成。SOI材料的最大優(yōu)點(diǎn)就