硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识
si基微纳集成光波导的理论设计
si基微纳集成光波导的理论设计近年来，可控精密光学系统的发展对人们的生活和工作带来了巨大的影响。
随着技术的发展，越来越多的应用也得以实现。
在这一领域，微纳集成光波导作为一种新型的光子器件，在精密光学系统中有重要的意义。
本文将简要介绍微纳集成光波导的基本原理、结构以及其在可控精密光学系统中的应用情况，并基于此提出具体的理论设计。
一、微纳集成光波导介绍微纳集成光波导是一种由纳米结构和晶体硅材料构成的新型光子器件。
它由空腔、双层氧化层以及金属层组成，具有紧凑的尺寸、高度可配置性、低损耗等优点。
它可以将光束精确地传输到特定的位置，从而实现精确的光学功能。
微纳集成光波导的主要作用是进行特定的光学处理，如光的聚焦、成像、分散等功能。
它的结构优点使其能够进行更精确的传输，从而实现更加精细的光学处理。
另外，它还能够节省外部控制设备，实现自动化操作，大大降低了系统的维护成本。
二、微纳集成光波导应用微纳集成光波导的体积小、功能多样，使其在可控精密光学系统中得到了广泛的应用。
它可以用于实现纳米级别的节点控制，大大提高系统的精度。
此外，它还可以作为精密光学成像系统的核心元件，在多层平台上进行高精度的光学成像。
此外，微纳集成光波导还可以用于空间光学传感，它可以实现三维空间高精度传感，从而实现更高精度的环境监测。
此外，微纳集成光波导还可以用于集成电路上的光通信，大大提升了电子信号传输的精确度。
三、理论设计基于以上介绍，本文提出了一种新的理论设计，该设计旨在利用微纳集成光波导技术，智能化控制精密光学系统中的光学元件。
由于微纳集成光波导的特殊结构，可以实现更高的准确度以及更低的损耗，因此能够对系统的准确性和稳定性产生很大的好处。
具体来说，该设计的目标是建立一个全自动的微纳集成光波导系统，该系统能够自动检测、调节和控制光学系统中的各个元件，从而实现最佳光学处理效果。
本文提出了一种全新的理论设计，旨在利用微纳集成光波导技术，智能化控制精密光学系统。
硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识
Ξ硅基光波导结构与器件刘育梁 王启明(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083)摘要 简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等.关键词 硅,光波导.引言硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场.硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述.1 低损耗硅基光波导结构及工艺1.1 外延型光波导第15卷第1期1996年2月红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996Ξ66红外与毫米波学报15卷最早提出的用于113～116Λm波长范围的硅光波导是外延型光波导[2],即采用常规的外延工艺在n+或p+硅单晶衬底上生长一层轻掺杂外延层.由于衬底和外延层的自由载流子浓度不同,其折射率也不同,平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中,由此而形成光波导.如果进一步采用各向异性湿法腐蚀或等离子体干法刻蚀制备成条状的脊形波导,即可实现对光波的二维限制.通常衬底掺杂浓度高于1018c m-3,外延层掺杂浓度为1014～1015c m-3.外延层亦即波导层厚度在10Λm左右.这种光波导由于利用的是自由载流子效应,衬底和波导层的折射率差仅为10-3左右,对光波的约束很不充分,导模场在重掺杂衬底中有一个很大的场分布,衬底吸收十分明显.一般外延型平板光波导的传输损耗是5～13dB c m,而脊形波导则是15～20dB c m.对于研制实际器件来说,这样大的损耗显然不适用,所以人们转向研制其它结构的光波导.最近在研究表明[3]这种光波导的传输损耗可以降至115dB c m以下.其关键是采用较大的波导芯径.实验已证实,芯径为20Λm(h)×15Λm(w)的脊形光波导的传输损耗低于115dB c m.由于这种光波导的制作工艺简单,可以达到实用要求.1.2 S O I光波导SO I(Silicon on In su lato r)技术是近十年来发展起来的一项硅集成电路技术.采用SO I 结构的C M O S无并闩锁效应,源、漏寄生电容小,易形成浅结,SO I器件还具有抗瞬时辐射效应的能力,可以在高温环境下工作,因此被微电子工业界看好[4,5].对于硅基光波导器件与回路来说,非常有意义的是SO I结构本身正好就是平板光波导结构,因此实现SO I电路和SO I光波导器件的单片集成无疑成为一种自然的想法.SO I光波导是在前述的外延型硅光波导的外延层和衬底之间夹入一层Si O2而形成的.Si O2的折射率远小于硅,它可以将其上波导层中传输的光波与衬底完全隔离开,从而消除衬底的吸收.实际上Si O2已完全取代了衬底的光学作用,所以衬底的掺杂与否已不受波导的限制.SO I材料的生成技术主要有区熔再结晶技术(Z M R)、直接健合与背腐蚀技术(B E)和注入氧隔离技术(S I M OX)等.目前来看,Z M R2SO I光波导的损耗太大,B E2SO I光波导的顶层硅质量很好,但难以获得均匀的厚度,相对而言S I M OX2SO I是最佳的选择.典型的S I M OX2SO I的工艺过程为:在(100)单晶硅表面以200keV的能量注入118×108c m-2的氧离子.注入温度控制在600±20℃.之后在A r O2气氛中1300℃退火6h.为了波导能够与光纤匹配,还需通过外延将顶层硅厚度增至715Λm,然后再刻蚀成脊形波导.这样的SO I脊形导的传输损耗在113Λm和115Λm处都小于015dB c m[6～9].SO I光波导的一个重要问题是单模条件.因为硅与Si O2的折射率差别非常大,所以单模平板波导的波导层仅需012～013Λm厚.如果制成脊形波导,则难于和光纤耦合.不过最近的理论和实验表明[9,10],适当条件下单模脊形波导的芯径可以达到与光纤相匹配.其根据是:这样的波导尽管在垂直于芯片表面方向上可以承载多模,但这些高阶模式在平行于芯片表面方向上并不受导.1.3 氧化硅光波导氧化硅光波导是在硅衬底上淀积Si O2膜后再淀积掺杂的氧化硅而形成的.Si O2掺杂后其折射率有所提高,可以形成波导,杂质主要是T i O2、GeO2、P2O5等.最初的工作主要以T i O22Si O2波导为主,以后逐渐转向GeO22Si O2波导,因为后者可以达到更低的损耗.一般可以通过CVD 和反应离子刻蚀方法制作Si O 2波导,也可以采用火焰水解法(F lam e H ydro lysis D epo siti on ),折射率差∃为0125%的T i O 22Si O 2光波导的损耗小于011dB c m ,∃为0175%的这类光波导的损耗约013dB c m ,而∃为0175%的GeO 22Si O 2光波导的损耗则低达0104dB c m[11,12].尽管Si O 2和硅的热膨胀系数相差很大,目前可以在硅上淀积厚达50至100Λm 的Si O 2而不产生裂纹[11].硅衬底上掺杂Si O 2受到残余压缩应力,从而引起波导的双折射,双折射指数B 为4×10-4.所以在很多功能器件制作中,利用或控制双折射成为一项主要内容.另外一种不掺杂而形成Si O 2波导的方法是用PECVD 在硅衬底上淀积Si O 2膜,退火后用25keV 的电子辐照(剂量是0174C c m 2)改变局部折射率,这样形成的光波导的损耗可以控制在115dB c m 以内[13].1.4 Ge x Si 1-x 外延层光波导和Ge 扩散光波导由于GeSi 材料系统在光电子学领域潜在的应用前景,GeSi 光波导也受到了注意.目前主要有两种方法形成这类光波导,一种是在硅衬底上用CVD 或Si 2M B E 等生长Ge x Si 1-x [14,15],另一种则是将Ge 扩散入硅片表面[16,17].Ge 的折射率为411,Si 为315.Si 中引入Ge 后,该区域的折射率增大,从而可以形成光波导.典型的Ge x Si 1-x 外延层光波导的Ge 组分比为112%,厚度615Λm .为了改善模斑,在Ge x Si 1-x 层上还生长一层3Λm 厚的Si 层,这种Si Ge x Si 1-x Si 脊形波导的损耗在1132Λm 时介于015～116dB c m .Ge 扩散光波导的制备是在硅衬底上用电子束蒸发GeSi 合金,再将其刻蚀成所需的图形后在1200℃和氧气氛中扩散65h ,扩散深度是1154Λm .这种光波导的损耗在113Λm 和1155Λm 波长时均小于013dB c m .1.5 硅V 槽光波导硅V 槽一般用于光纤与波导器件的耦合.在V 槽中填充适当的介质材料(如氧化硅、聚合物)可以形成能与光纤直接耦合的波导.V 槽中P 掺杂Si O 2光波导在01633Λm 波长时损耗约011dB c m [18].V 槽中空心金属波导的损耗则不符合指数衰减规律,大体上说,对于633、780、980及1310nm 的光波,在115c m 长度内波导损耗介于1～6dB c m [19].1.6 Si C 光波导有人建议发展硅上的Si C 光波导[20],建议发展Si C 光波导的原因是Si C 有很强的线性电光效应,能够制作电光调制器件,并且这种波导不但能用于113～116Λm 波长,而且可以用于017Λm 波长(多孔硅器件的发光波长).在113Λm 时,Β2Si C 的折射率为2157[21],所以不能在硅衬底上直接形成波导,但可以采用类似于SO I 的结构,即Si C Si O 2 Si 结构.这种波导的损耗主要是Si C Si O 2界面上的散射损耗和侧壁散射损耗(如果制成脊形波导的话),其损耗应该与SO I 波导相当.Β2Si C 膜可以用CVD 生长[22],Si O 2层采用氧离子注入和高温退火形成,条状脊形结构可用H 型R F 反应离子刻蚀形成.2 硅基电光波导器件电光调制器与波导光开关等控光器件是硅基光电子集成回路的重要器件.然而单晶硅不存在线性电光效应,二阶电光效应也很弱,能以用于实际器件.F ranz 2kelbysh 效应也不足761期刘育梁:硅基光波导结构与器件86红外与毫米波学报15卷以有效地影响拆射率.目前自由载流子效应[24]和热光效应[25]均可用于研制调制器和电光开关,利用这两种效应的M ach2Zehnder干涉仪和光交换开关均有一定的工作,如外延型M2Z 干涉仪、SO I M2Z干涉仪、GeSi M2Z干涉仪、GeSi BOA光开关、外延型T I R光开关等[26～36].不过研制的器件均尚未达到实用水平.就自由载流子效应器件来说,它需要较高的载流子注入浓度(至少3×1017c m-3),伴生的热效应不易避免,热光效应将抵消自由载流子效应.而利用热光效应的器件需要至少50mW的热功率,响应速度也很慢.相对而言,自然载流子效应器件更有可能达到实用.如果恰当地设计器件的结构,提高注入载流子的利用率,将伴生热功耗降至10mW以内,就可以避免热效应的影响.最近有人提出一种优化设计的SO IM2Z干涉仪,在1155Λm处,预计工作电压019V,注入载流子密度215×1017c m-3,工作电流4mA(电流密度120A c m-2),响应时间100n s[37].从晶格结构上来说,硅单晶中不存在线性电光效应的原因是其晶胞是中心对称的,而应变的SiGe Si超晶格中,Si0.5Ge0.5晶胞不是中心对称的.理论计算得到其Pockels系数为1×10-12m V,与GaA s的电光系数同等量级,因此可望制作性能与GaA s器件相当的GeSi Si 超晶格电光调制器和光开关.晶体Β2Si C则显示很强的线性电光效应,它的Pockels系数是GaA s的117倍[38],也可以制作高速电光效应器件.3 113Λm Ge x Si1-x Si多量子阱波导探测器这方面工作在“SiGe Si应变超晶格光电探测器的发展现状”一文[39]中有详细评述[40～45],最近的发展包括[46～48]:(1)将GeSi波导与GeSi Si多量子阱P I N波导探测器集成,由于共度生长要求的临界厚度的限制,GeSi Si波导探测器的波导厚度小于1Λm.这种器件尽管内量子效率可达50%以上,但与光纤相接,外量子效率仅百分之几,因此出现了将GeSi波导与GeSi Si探测器相集成的工作.即先在硅衬底上生长215Λm厚的Ge0.02Si0.98光波导,再在上面制作Ge0.45Si0.55 Si多量子阱波导探测器.GeSi波导与光纤相连接,可以提高耦合效率.这种结构属于波导与探测器的垂直耦合,需要相当的耦合长度(约10mm),这会大大降低器件响应速度.有一种措施可以改善这种情况,即采用类似于 2V族波导探测器中的阻抗匹配垂直耦合(V I M)[49].(2)P I N型GeSi Si多量子波导探测器在波长113Λm时,外量子效率可达7%(14V反偏),暗电流密度27pA Λm2(面积10×750Λm2),总电容1pF.这样的探测器与硅双极放大器混合集成(反馈电阻2k8)后,响应度达到2157A W.4 无源氧化硅光波导器件与回路硅衬底上的氧化硅光波导器件已从单纯的低损耗研究转向实用功能器件的研究,并逐渐推向市场[50].目前在矩阵光开关(利用热效应)、偏振模转换器、偏振分离器与交换开关、波分复用器件、与偏振无关的M Z干涉仪、星形耦合器、环形谐振器以及掺铒有源光波导等方面均开展了许多工作[51～62].这些器件主要利用:波导结构变化所引起的模式的分离与组合,波导双折射特性的利用、控制与消除,热光效应改变波导局部折射率等工作机制.近期的工作除了继续开发和改进各种功能器之外,也注重于提高集成度.限制氧化硅平面波集成回路集成度的主要因素是波导的最小弯曲半径太大.因为弯曲总会带来损耗,弯曲半径越小损耗越大.对于允许的损耗,弯曲半径有一个最小限度.现在通常用低折射率差(0125%～0175%)掺GeO 2氧化硅光波导构成各种功能器件.这种低折射率差的GeO 22Si O 2光波导的损耗虽然很小,但波导的最小弯曲半径限制在25～5mm .最近日本N T T 研制成功了折射率差为115%的GeO 22Si O 2光波导[63],具有最小弯曲半径2mm 、长200c m 的这种光波回路的损耗仅01073dB c m ,采用这种波导可以提高集成度.这种折射率差115%的波导的模场与单模光纤不匹配,但可以通过热扩展波导芯技术实现波导与器件的高效耦合[64].5 其它工作还有许多其它的相关工作,例如:硅基集成光学传感器(如水听器)[65]、在掺Ge 氧化硅薄膜中用UV 激光直接写入沟道波导[66]、掺Ge 氧化硅波导中的二次谐波效应[67,68]、集成氧化硅波导的光盘读出头[69]、光纤直接锲入氧化硅光波回路芯片的耦合技术[70,71]、GeSi SiB ragg 反射镜与光探测器[72～74]、GeSi Si B ragg 反射器与热光开关[75]、利用热效应的Si 2SEED 与光学双稳[76,77]、P tSi p 2Si 肖特基势垒1152Λm 光电探测器[78]、GeSi Si 红外焦平面[79,80]、硅基光电器件混合集成技术[81～83]等.6 结语如果不考虑光源,硅基光波导器件大致可分为无源光波导功能器件、电光波导器件和光波导探测器.总的来看,在无源光波导功能器件方面,Si O 2光波导器件与回路已独领风骚,成为这一类器件的主流,不但其它种类的硅基光波导器件难与相比,就是L i N bO 3器件也渐显逊色.电光波导器件目前的工作主要利用自由载流子效应和热光效应,这两种效应在制作电光波导器件方面均有一定的缺点,难以发展高性能的器件.未来高性能的硅基光开关(阵列)和调制器恐怕还得依赖线性电光效应,尽管单晶硅不存在线性电光效应, 族合金半导体如Β2Si C 、GeC 、SnC 、SiGe 、SiSn 和GeSn 都有很强的线性电光效应[84].这类器件可以向硅衬底上的 族二元、三元合金半导体材料发展.而能够用于113Λm 波长的硅基红外光探测器目前仍寄希望于Ge x Si 1-x Si 多量子阱波导探测器,若要保证一定的外量子效率(如10%),则带宽超过5GH z 是困难的,因为这种探测器中Ge x Si 1-x 仍是间接带隙材料,它对红外光的吸收很弱,这一点大大制约了器件性能的提高.参考文献1 Special issue :S ilica on silicon integ rated op tics ,International J .Op toelectronics ,1994,9(2)2 So ref R A ,L o renzo J P .IE E E J .Q uantum E lectron .,1986,22(6):873～8793 Sp lett A ,Peter m ann K .IE E E P 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ett.,1994,59(16):1938～193939 国家科委信息领域办,863光电子主题专家组.硅锗应变层超晶格材料与器件应用.199240 L uryi S,Pearsall T P,T em k in H,et al.IE E E E lectron D ev ice L etters,1986,7(2):104～10741 Pearsall T P,T em k in H,Bean J C,et al.IE E E E lectron D ev ice L etters,1994,7(5):330～33242 T em k in H,Pearsall T P,Bean J C,et al.A pp l.P hy s.L ett.,1986,48(15):963～96543 Kesan V P,M ay P G,Bassous E,et al.IE E E IEDM90,1990,637～64044 T em k in H,A ntreasyan A,O lsson N A,et al.A pp l.P hy s,L ett.,1986,49(13):809～81145 Jalali B,N aval L J,L evi A F,et al.S P IE,1992,1804:94～10646 Jalali B,L evi A F,Ro ss F,et al.E lectron.L ett.,1992,28(3):269～27147 Sp lett A,Zinke T,Peter m ann K,et al.IE E E P hoton.T echnol.L ett.,1994,6(1):59～6148 Jalali B,N aval L J,L evi A F.J.L ig h t w ave T echnology,1994,12(6):830～93549 D eri R J.J.L ig h t w ave T echnol.,1993,11(8):1296～131350 A d vertise m ent f or silica op tical w aveg u id e d ev ices,L aser F ocus W orld,A ugust,199451 O kuno M,Kato K,O hmo ri Y,et al.J.L ig h t w ave T echnol.,1994,12(9):1597～160652 de R idder R M ,Sander A F M ,D rissen A ,et al .J .L ig h t w ave T echnol .1993,11(11):1806～181153 Inoue Y ,O hmo ri Y ,Kaw ach iM ,et al .IE E E P hoton .T echnol .L ett .,1994,6(5):626～62854 O kuno M ,Sugita A ,J inguji K ,et al .J .L ig h teave T echnol .,1994,12(4):625～63355 A dar R ,H enry C H ,D ragone C ,et al .J .L ig h t w ave T echnol .,1993,11(2):212～21956 T akahash i H ,Suzuk i S ,N ish i I .J .L ig h t w ave T echnol .,1994,12(6):989～99557 Suzuk i S ,Inoue Y ,O hmo ri Y .E lectron .L ett .,1994,30(8):642～64358 Yaffe H H ,H enry C H ,Kazarinov R F ,et al .J .L ig h t w ave T echnol .,1994,12(1):64～6759 Suzuk i S ,Shuto K ,H ibino Y .IE E E P hoton .T echnol .L ett .,1992,4(11):1256～125860 Yaffe H H ,H enry C H ,Serbin M R ,et al .J .L ig h t w ave T echnol .,1994,12(6):1010～101461 H atto ri K ,K itagaw a T ,O gum a M ,et al .E lectron .L ett .,1994,30(11):856～85762 H ibino Y ,H anaw a F ,N akagom e H ,et al .E lectron .L ett .,1994,30(8):640～64263 Suzuk i S ,Yanagisaw a M ,H ibino Y ,et al .J L ig h t w ave T echnol .,1994,12(5):790～79664 Yanagisaw a M ,Yam ada Y ,Kobayash iM .IE E E P hoton .T echnol .L ett .,1993,4(4):433～43565 V adekar A ,N athan A ,H uang W P .J .L ig h t w ave T echnol .,1994,12(1):157～16266 Svalgaard M ,Poulsen C V ,B jark lev A ,et al .E lectron .L ett .,1994,30(17):1401～140367 W eitz m an P S ,Kester J J , Osterberg U .E lectron .L ett .,1994,30(9):697～69868 B rauer M L ,D ajani I ,Kester J J .E lectron .L ett .,1994,30(4):297～29969 O ch iaiM ,T em k in H ,Kazarinov R F .E lectron .L ett .,1994,30(17):1403～140470 Grand G ,D enis H ,V o lette S .E lectron .L ett .,1991,27(1):16～1871 E lectron .L ett .,1994,30(22).72 Kuch ibho tla R ,Campbell C ,Bean J C ,et al .A pp l .P hy s .L ett .,1993,62(18):2215～221773 Bean J C ,Petico las L J ,H ull R ,et al .A pp l .P hy s .L ett .,1993,63(4):444～44674 M urtaza S S ,Campbell J C ,Bean J C ,et al .A pp l .P hy s .L ett .,1994,64(7):795～79775 Fernando C ,Janz S ,Baribeau J M ,et al .E lectron .L ett .,1994,30(11):901～90376 Coco rullo G ,R ennina I .E lectron .L ett .,1992,28(1):83～9577 Feng S T ,Irene E A .A pp l .P hy s .,1992,72(9):3897～390378 李国正,李道全,刘恩科.半导体光电,1994,15(3):273～27679 T saur B Y ,Chen C K ,M arino S A .E ng ineering ,1994,33(1):72～7880 L in T L ,Park J S ,Gunapala S D ,et al .Op tical E ng ineering ,1994,33(3):716～72081 Zhou M J ,Ho llem an J ,W allinga H .E lectron .L ett .,1994,30(11):895～89782 C rookes C G ,C ro ston I R ,Pescod C R .E lectron .L ett .,1994,30(12):1002～100383 A yliffe P ,Parker J ,Berto lni S ,et al .International J .Op toelectronics ,1994,9(2):179～19184 So ref R A .A pp l .P hy s .,1992,72(2):626～630SI -BASED OPT I CAL W AVEGU I D E STRUCTURES AND D EV I CESL iu Yu liang W ang Q i m ing(N IO E L abora tory ,Institu te of S e m icond uctors ,Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100083,Ch ina )Abstract T h is p ap er p resen ts a concise review of the silicon 2based op tical w avegu ides ,devices and techno logy .T he low 2lo ss w avegu ides ,electro 2op tic w avegu ide devices ,w avegu ide p ho todetecto rs fo r infrared radiati on detecti on ,and Si O 2op tical circu its are included .Key words silicon ,op tical w avegu ide .171期刘育梁:硅基光波导结构与器件。
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
硅基波导集成光学相控阵芯片
硅基波导集成光学相控阵芯片目录一、内容概览 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 研究内容与方法 (5)二、硅基波导理论基础 (6)2.1 硅材料特性 (7)2.2 硅基光波导结构 (9)2.3 波导传输特性 (10)三、光学相控阵技术原理 (11)3.1 相控阵技术概念 (12)3.2 光学相位控制原理 (13)3.3 相控阵阵列设计与性能优化 (14)四、硅基波导集成光学相控阵设计 (16)4.1 设计流程与方法 (17)4.2 波导设计与优化 (19)4.3 相控阵单元设计 (20)4.4 集成与封装技术 (21)五、实验与测试 (22)5.1 实验平台搭建 (24)5.2 样品制备与测试方法 (25)5.3 测试结果与分析 (26)六、结论与展望 (28)6.1 研究成果总结 (29)6.2 存在问题与改进方向 (30)6.3 未来发展趋势与应用前景 (31)一、内容概览本文档深入探讨了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计与制造，详尽地描述了该技术的核心原理、关键组件以及制备工艺。
硅基波导作为光子集成电路中的基本构建模块，以其低损耗、高集成度等优势在光通信系统中扮演着越来越重要的角色。
而光学相控阵技术则通过精确控制波导中光的传播路径，实现高效的光学干涉和相位控制，进而应用于雷达、通信、遥感等领域。
本文档首先概述了硅基波导的基本结构和特性，解释了其作为光子集成电路基片的优势。
重点介绍了光学相控阵的工作原理，包括相位控制和波束形成的基本概念。
在此基础上，详细阐述了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计流程，包括波导设计、阵列布局、光源和检测器的选择等关键技术环节。
在制备工艺部分，文档讨论了目前常用的硅基波导制备方法，如光刻、刻蚀、薄膜沉积等，并分析了这些工艺对波导性能的影响。
也展望了未来可能的技术革新和发展趋势，如新型材料、更精细的制程技术等。
文档总结了硅基波导集成光学相控阵芯片在现代光学和光电子技术中的重要地位和应用前景，强调了其在推动光通信、雷达等系统性能提升中的关键作用。
硅基光子学的原理与光学器件研究
硅基光子学的原理与光学器件研究光子学作为一门研究光的行为和性质的学科，一直以来都备受关注。
而在光子学的发展过程中，硅基光子学成为了一个热门的研究领域。
本文将介绍硅基光子学的原理和光学器件研究，探讨其未来的发展前景。
硅基光子学的理论基础源于硅的特殊物理性质。
硅是一种广泛应用于集成电路制造的材料，它具有高折射率、高导热性和低色散等优势。
这些特性使得硅材料非常适合用于光学器件的制造，尤其是在通信领域。
在硅基光子学中，硅波导是一种常见且重要的元件。
硅波导可以通过制造一定形状和深度的结构来控制光的传播。
通过光波在波导内部的传播，可以实现光的引导和耦合，从而实现光的传输和调控。
硅波导的制造通常使用微电子加工工艺，与集成电路的制造方式类似。
硅波导还可以实现光的调制。
通过将电信号转化为光信号，然后通过控制光的强度来实现信号的调制。
这种调制方式被广泛应用于光通信系统中，能够实现高速、大容量的数据传输。
硅基光子学在光通信领域有着巨大的应用潜力。
除了硅波导，硅基光子学还涉及到其他一些重要的器件，如光调制器、光开关和光放大器等。
光调制器可以通过控制光的相位和强度来实现光信号的调制。
光开关可以在不同的路径之间切换光的传输，实现光信号的路由和分配。
光放大器可以将光信号放大，增强光的信号强度。
硅基光子学的研究还涉及到一些新兴的领域，如量子光学和光子计算等。
量子光学研究光与物质之间的相互作用，利用光的量子特性来实现量子计算和通信。
硅基光子学可以提供一个制备和控制光量子态的平台，为量子信息处理提供了新的可能。
光子计算是一种新颖的计算方式，利用光的优势来实现快速、高效的计算。
硅基光子学可以提供光子计算中所需的光源、耦合器和光学器件等基础设施。
光子计算的潜力巨大，有望成为未来计算的重要技术之一。
虽然硅基光子学有着广泛的应用前景，但也面临着一些挑战。
例如，硅材料的光学非线性较弱，这在一定程度上限制了硅基器件的性能。
此外，硅基光子学的制造成本较高，这也限制了它在某些领域的应用。
硅基光波导
Output light Si core Oxide layer Si layer
硅基光波导的具体应用
光束分路器
光波导分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光 波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上。然后，在芯片 两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列并进行封装。
FHD具体原理：
在H2和O2的燃烧氛围中,通过SiCl4的水解作用，生成的SiO2细微颗粒沉积在Si 基的表面上。再经过1100至13000C高温炉灼烧可以生成致密的厚SiO2膜。
为了得到高折射率的波导层，可以采取掺Ge的方式。将SiCl4和GeCl4等源气 体经充分混合后，同样在在H2和O2的燃烧氛围中发生水解反应。
硅基光波导制备及其在集成光 学器件的应用
报告人：114104000463朱泽忠
参照论文：Silica waveguides on silicon and their application
to integrated-optic components
参照信息
论文作者：MASAO KAWACHI（河内正夫） 参考文献：Silica-based single-mode waveguides on silicon
目录
引言 二氧化硅光波导薄膜的制备 硅基光波导的耦合 硅基光波导的具体应用 总结
引言
随着光通信技术的发展，信息的传递速度也越来越快，由很久之前的电 信号逐渐转换为现在的光信号。所以，现在的光学器件都需要光纤的传输系 统（其具有更高的传输效率和更好的可变性）。 然而，在器件进行集成耦合时，就会出现很多产量，稳定性，适配性等 诸多问题。直到1969年，光波导概念的提出，才解决了上述问题。
火焰水解法(FHD)是一种光纤制备工艺，它具有沉积速度快、容易实现掺 杂等特点。在1983年，Kawachi等人就利用火焰水解法在Si基上制备出了低 损耗的SiO2-TiO2波导。 利用FHD技术制作光波导时，可结合反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术。下面将以制作SiO2-TiO2波导为例，讲解一下典型的制 作过程。
si基微纳集成光波导的理论设计
si基微纳集成光波导的理论设计随着科技的发展，微纳集成光波导技术在各个领域发挥着重要作用。
其中，Si基微纳集成光波导具有较高的灵敏度和传输效率，可以被广泛应用在各种新兴应用中，如智能传感技术、医学检测和视觉检测等。
因此，本文重点介绍Si基微纳集成光波导的理论设计原理，并结合实际应用情况，给出设计方案以及可能的制造方法和改进措施。
首先，介绍Si基微纳集成光波导的主要特点。
Si基微纳集成光波导是一种新型微结构产品，它是多层薄膜结构，其中各层主要由硅晶体和陶瓷材料构成。
Si基微纳集成光波导具有良好的导电性能，同时具有较高的灵敏度和传输效率，能够以更小的尺寸封装更多的光通道，并且有更快的信号传输速度。
其次，介绍Si基微纳集成光波导的理论设计原理。
Si基微纳集成光波导的设计原理是基于半导体元件的光建模理论，结合现有的电路技术，根据不同的应用需求，将硅基半导体芯片和微结构技术应用到光学传感器上，使得它可以快速、灵敏地测量物体周围的光照度。
此外，根据实际应用需要，还可以进一步改进Si基微纳集成光波导的设计结构，以提高它的性能。
主要可以从两个方面实现：第一，通过优化薄膜结构，改进光学传输效率；第二，通过采用新型电路技术，提升测量精度。
最后，介绍Si基微纳集成光波导的制造和应用。
Si基微纳集成光波导的制造主要采用蒸镀法和电镀法，在低温腔内对多层膜进行精密的蒸镀层或电镀层，以保证光波导的表面质量，然后进行组装、封装完成整个制造过程。
Si基微纳集成光波导的应用非常广泛，它可以用于智能传感技术、医学实验、天气预报和视觉检测等多种应用场景。
综上所述，Si基微纳集成光波导在科技领域具有重要的意义，它的理论设计原理包括使用半导体元件的光建模理论、结合现有的电路技术等，且其制造和应用方法也得到了改善和发展。
未来，随着科技的发展，Si基微纳集成光波导技术还有望发挥更大的潜力，在更多的新兴应用领域发挥作用。
硅基光子学器件及其制备技术的发展
硅基光子学器件及其制备技术的发展随着人类社会的不断发展和科技水平的不断提高，大家对于信息的传输和处理的需求也越来越高。
在众多的技术手段中，硅基光子学器件可以说是一种非常重要的技术，因为它可以提供非常高的速度和稳定性，可以大大提高我们的生产力和效率。
本文将介绍硅基光子学器件及其制备技术的发展。
1.硅基光子学器件的基本概念硅基光子学器件是一种利用硅材料制造的光电器件，其最大的特点就是具有非常高的速度和稳定性。
它主要由光器件和电器件两部分组成，其中光器件可以用来转换光信号，而电器件则可以用来控制光器件的工作。
硅基光子学器件一般分为两种类型，分别是硅基光调制器和硅基激光器。
前者主要用于对光信号的控制，可以将光信号进行调制，从而实现光信号的传输和处理。
而后者则是用来产生光信号的，可以将电信号转换成光信号。
2.硅基光子学器件的应用领域硅基光子学器件的应用领域非常广泛，主要包括信息传输、光学通信、生物医疗、光学传感等领域。
其中，光学通信是硅基光子学器件应用最为广泛的领域。
在现代社会中，随着通信技术的不断发展，人们对于高速、安全的信息传输的需求也越来越大。
而硅基光子学器件可以帮助我们实现高速的光学通信，从而提高我们的生产力和效率。
3.硅基光子学器件的制备技术硅基光子学器件的制备技术是非常重要的，它决定了硅基光子学器件的性能和应用。
现在，硅基光子学器件的制备技术主要有三种：晶体硅技术、SOI技术和SiGe技术。
晶体硅技术是最早出现的一种制备技术，其主要特点是在单晶硅片上进行加工。
这种制备技术具有简单、成本低的优势，但是其制备的硅基光子学器件的性能和稳定性相对较差。
而SOI技术则采用了硅上绝缘体的技术，在硅片上隔离出一个电气隔离的层，可以大大提高硅基光子学器件的速度和性能。
而SiGe技术则是将硅和锗进行复合，从而产生一种新的材料，可以大大提高硅基光子学器件的速度和稳定性。
4.硅基光子学器件的未来发展方向硅基光子学器件作为一种非常重要的技术，其未来发展方向也备受关注。
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Ξ硅基光波导结构与器件刘育梁 王启明(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083)摘要 简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等.关键词 硅,光波导.引言硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场.硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述.1 低损耗硅基光波导结构及工艺1.1 外延型光波导第15卷第1期1996年2月红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996Ξ66红外与毫米波学报15卷最早提出的用于113～116Λm波长范围的硅光波导是外延型光波导[2],即采用常规的外延工艺在n+或p+硅单晶衬底上生长一层轻掺杂外延层.由于衬底和外延层的自由载流子浓度不同,其折射率也不同,平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中,由此而形成光波导.如果进一步采用各向异性湿法腐蚀或等离子体干法刻蚀制备成条状的脊形波导,即可实现对光波的二维限制.通常衬底掺杂浓度高于1018c m-3,外延层掺杂浓度为1014～1015c m-3.外延层亦即波导层厚度在10Λm左右.这种光波导由于利用的是自由载流子效应,衬底和波导层的折射率差仅为10-3左右,对光波的约束很不充分,导模场在重掺杂衬底中有一个很大的场分布,衬底吸收十分明显.一般外延型平板光波导的传输损耗是5～13dB c m,而脊形波导则是15～20dB c m.对于研制实际器件来说,这样大的损耗显然不适用,所以人们转向研制其它结构的光波导.最近在研究表明[3]这种光波导的传输损耗可以降至115dB c m以下.其关键是采用较大的波导芯径.实验已证实,芯径为20Λm(h)×15Λm(w)的脊形光波导的传输损耗低于115dB c m.由于这种光波导的制作工艺简单,可以达到实用要求.1.2 S O I光波导SO I(Silicon on In su lato r)技术是近十年来发展起来的一项硅集成电路技术.采用SO I 结构的C M O S无并闩锁效应,源、漏寄生电容小,易形成浅结,SO I器件还具有抗瞬时辐射效应的能力,可以在高温环境下工作,因此被微电子工业界看好[4,5].对于硅基光波导器件与回路来说,非常有意义的是SO I结构本身正好就是平板光波导结构,因此实现SO I电路和SO I光波导器件的单片集成无疑成为一种自然的想法.SO I光波导是在前述的外延型硅光波导的外延层和衬底之间夹入一层Si O2而形成的.Si O2的折射率远小于硅,它可以将其上波导层中传输的光波与衬底完全隔离开,从而消除衬底的吸收.实际上Si O2已完全取代了衬底的光学作用,所以衬底的掺杂与否已不受波导的限制.SO I材料的生成技术主要有区熔再结晶技术(Z M R)、直接健合与背腐蚀技术(B E)和注入氧隔离技术(S I M OX)等.目前来看,Z M R2SO I光波导的损耗太大,B E2SO I光波导的顶层硅质量很好,但难以获得均匀的厚度,相对而言S I M OX2SO I是最佳的选择.典型的S I M OX2SO I的工艺过程为:在(100)单晶硅表面以200keV的能量注入118×108c m-2的氧离子.注入温度控制在600±20℃.之后在A r O2气氛中1300℃退火6h.为了波导能够与光纤匹配,还需通过外延将顶层硅厚度增至715Λm,然后再刻蚀成脊形波导.这样的SO I脊形导的传输损耗在113Λm和115Λm处都小于015dB c m[6～9].SO I光波导的一个重要问题是单模条件.因为硅与Si O2的折射率差别非常大,所以单模平板波导的波导层仅需012～013Λm厚.如果制成脊形波导,则难于和光纤耦合.不过最近的理论和实验表明[9,10],适当条件下单模脊形波导的芯径可以达到与光纤相匹配.其根据是:这样的波导尽管在垂直于芯片表面方向上可以承载多模,但这些高阶模式在平行于芯片表面方向上并不受导.1.3 氧化硅光波导氧化硅光波导是在硅衬底上淀积Si O2膜后再淀积掺杂的氧化硅而形成的.Si O2掺杂后其折射率有所提高,可以形成波导,杂质主要是T i O2、GeO2、P2O5等.最初的工作主要以T i O22Si O2波导为主,以后逐渐转向GeO22Si O2波导,因为后者可以达到更低的损耗.一般可以通过CVD 和反应离子刻蚀方法制作Si O 2波导,也可以采用火焰水解法(F lam e H ydro lysis D epo siti on ),折射率差∃为0125%的T i O 22Si O 2光波导的损耗小于011dB c m ,∃为0175%的这类光波导的损耗约013dB c m ,而∃为0175%的GeO 22Si O 2光波导的损耗则低达0104dB c m[11,12].尽管Si O 2和硅的热膨胀系数相差很大,目前可以在硅上淀积厚达50至100Λm 的Si O 2而不产生裂纹[11].硅衬底上掺杂Si O 2受到残余压缩应力,从而引起波导的双折射,双折射指数B 为4×10-4.所以在很多功能器件制作中,利用或控制双折射成为一项主要内容.另外一种不掺杂而形成Si O 2波导的方法是用PECVD 在硅衬底上淀积Si O 2膜,退火后用25keV 的电子辐照(剂量是0174C c m 2)改变局部折射率,这样形成的光波导的损耗可以控制在115dB c m 以内[13].1.4 Ge x Si 1-x 外延层光波导和Ge 扩散光波导由于GeSi 材料系统在光电子学领域潜在的应用前景,GeSi 光波导也受到了注意.目前主要有两种方法形成这类光波导,一种是在硅衬底上用CVD 或Si 2M B E 等生长Ge x Si 1-x [14,15],另一种则是将Ge 扩散入硅片表面[16,17].Ge 的折射率为411,Si 为315.Si 中引入Ge 后,该区域的折射率增大,从而可以形成光波导.典型的Ge x Si 1-x 外延层光波导的Ge 组分比为112%,厚度615Λm .为了改善模斑,在Ge x Si 1-x 层上还生长一层3Λm 厚的Si 层,这种Si Ge x Si 1-x Si 脊形波导的损耗在1132Λm 时介于015～116dB c m .Ge 扩散光波导的制备是在硅衬底上用电子束蒸发GeSi 合金,再将其刻蚀成所需的图形后在1200℃和氧气氛中扩散65h ,扩散深度是1154Λm .这种光波导的损耗在113Λm 和1155Λm 波长时均小于013dB c m .1.5 硅V 槽光波导硅V 槽一般用于光纤与波导器件的耦合.在V 槽中填充适当的介质材料(如氧化硅、聚合物)可以形成能与光纤直接耦合的波导.V 槽中P 掺杂Si O 2光波导在01633Λm 波长时损耗约011dB c m [18].V 槽中空心金属波导的损耗则不符合指数衰减规律,大体上说,对于633、780、980及1310nm 的光波,在115c m 长度内波导损耗介于1～6dB c m [19].1.6 Si C 光波导有人建议发展硅上的Si C 光波导[20],建议发展Si C 光波导的原因是Si C 有很强的线性电光效应,能够制作电光调制器件,并且这种波导不但能用于113～116Λm 波长,而且可以用于017Λm 波长(多孔硅器件的发光波长).在113Λm 时,Β2Si C 的折射率为2157[21],所以不能在硅衬底上直接形成波导,但可以采用类似于SO I 的结构,即Si C Si O 2 Si 结构.这种波导的损耗主要是Si C Si O 2界面上的散射损耗和侧壁散射损耗(如果制成脊形波导的话),其损耗应该与SO I 波导相当.Β2Si C 膜可以用CVD 生长[22],Si O 2层采用氧离子注入和高温退火形成,条状脊形结构可用H 型R F 反应离子刻蚀形成.2 硅基电光波导器件电光调制器与波导光开关等控光器件是硅基光电子集成回路的重要器件.然而单晶硅不存在线性电光效应,二阶电光效应也很弱,能以用于实际器件.F ranz 2kelbysh 效应也不足761期刘育梁:硅基光波导结构与器件86红外与毫米波学报15卷以有效地影响拆射率.目前自由载流子效应[24]和热光效应[25]均可用于研制调制器和电光开关,利用这两种效应的M ach2Zehnder干涉仪和光交换开关均有一定的工作,如外延型M2Z 干涉仪、SO I M2Z干涉仪、GeSi M2Z干涉仪、GeSi BOA光开关、外延型T I R光开关等[26～36].不过研制的器件均尚未达到实用水平.就自由载流子效应器件来说,它需要较高的载流子注入浓度(至少3×1017c m-3),伴生的热效应不易避免,热光效应将抵消自由载流子效应.而利用热光效应的器件需要至少50mW的热功率,响应速度也很慢.相对而言,自然载流子效应器件更有可能达到实用.如果恰当地设计器件的结构,提高注入载流子的利用率,将伴生热功耗降至10mW以内,就可以避免热效应的影响.最近有人提出一种优化设计的SO IM2Z干涉仪,在1155Λm处,预计工作电压019V,注入载流子密度215×1017c m-3,工作电流4mA(电流密度120A c m-2),响应时间100n s[37].从晶格结构上来说,硅单晶中不存在线性电光效应的原因是其晶胞是中心对称的,而应变的SiGe Si超晶格中,Si0.5Ge0.5晶胞不是中心对称的.理论计算得到其Pockels系数为1×10-12m V,与GaA s的电光系数同等量级,因此可望制作性能与GaA s器件相当的GeSi Si 超晶格电光调制器和光开关.晶体Β2Si C则显示很强的线性电光效应,它的Pockels系数是GaA s的117倍[38],也可以制作高速电光效应器件.3 113Λm Ge x Si1-x Si多量子阱波导探测器这方面工作在“SiGe Si应变超晶格光电探测器的发展现状”一文[39]中有详细评述[40～45],最近的发展包括[46～48]:(1)将GeSi波导与GeSi Si多量子阱P I N波导探测器集成,由于共度生长要求的临界厚度的限制,GeSi Si波导探测器的波导厚度小于1Λm.这种器件尽管内量子效率可达50%以上,但与光纤相接,外量子效率仅百分之几,因此出现了将GeSi波导与GeSi Si探测器相集成的工作.即先在硅衬底上生长215Λm厚的Ge0.02Si0.98光波导,再在上面制作Ge0.45Si0.55 Si多量子阱波导探测器.GeSi波导与光纤相连接,可以提高耦合效率.这种结构属于波导与探测器的垂直耦合,需要相当的耦合长度(约10mm),这会大大降低器件响应速度.有一种措施可以改善这种情况,即采用类似于 2V族波导探测器中的阻抗匹配垂直耦合(V I M)[49].(2)P I N型GeSi Si多量子波导探测器在波长113Λm时,外量子效率可达7%(14V反偏),暗电流密度27pA Λm2(面积10×750Λm2),总电容1pF.这样的探测器与硅双极放大器混合集成(反馈电阻2k8)后,响应度达到2157A W.4 无源氧化硅光波导器件与回路硅衬底上的氧化硅光波导器件已从单纯的低损耗研究转向实用功能器件的研究,并逐渐推向市场[50].目前在矩阵光开关(利用热效应)、偏振模转换器、偏振分离器与交换开关、波分复用器件、与偏振无关的M Z干涉仪、星形耦合器、环形谐振器以及掺铒有源光波导等方面均开展了许多工作[51～62].这些器件主要利用:波导结构变化所引起的模式的分离与组合,波导双折射特性的利用、控制与消除,热光效应改变波导局部折射率等工作机制.近期的工作除了继续开发和改进各种功能器之外,也注重于提高集成度.限制氧化硅平面波集成回路集成度的主要因素是波导的最小弯曲半径太大.因为弯曲总会带来损耗,弯曲半径越小损耗越大.对于允许的损耗,弯曲半径有一个最小限度.现在通常用低折射率差(0125%～0175%)掺GeO 2氧化硅光波导构成各种功能器件.这种低折射率差的GeO 22Si O 2光波导的损耗虽然很小,但波导的最小弯曲半径限制在25～5mm .最近日本N T T 研制成功了折射率差为115%的GeO 22Si O 2光波导[63],具有最小弯曲半径2mm 、长200c m 的这种光波回路的损耗仅01073dB c m ,采用这种波导可以提高集成度.这种折射率差115%的波导的模场与单模光纤不匹配,但可以通过热扩展波导芯技术实现波导与器件的高效耦合[64].5 其它工作还有许多其它的相关工作,例如:硅基集成光学传感器(如水听器)[65]、在掺Ge 氧化硅薄膜中用UV 激光直接写入沟道波导[66]、掺Ge 氧化硅波导中的二次谐波效应[67,68]、集成氧化硅波导的光盘读出头[69]、光纤直接锲入氧化硅光波回路芯片的耦合技术[70,71]、GeSi SiB ragg 反射镜与光探测器[72～74]、GeSi Si B ragg 反射器与热光开关[75]、利用热效应的Si 2SEED 与光学双稳[76,77]、P tSi p 2Si 肖特基势垒1152Λm 光电探测器[78]、GeSi Si 红外焦平面[79,80]、硅基光电器件混合集成技术[81～83]等.6 结语如果不考虑光源,硅基光波导器件大致可分为无源光波导功能器件、电光波导器件和光波导探测器.总的来看,在无源光波导功能器件方面,Si O 2光波导器件与回路已独领风骚,成为这一类器件的主流,不但其它种类的硅基光波导器件难与相比,就是L i N bO 3器件也渐显逊色.电光波导器件目前的工作主要利用自由载流子效应和热光效应,这两种效应在制作电光波导器件方面均有一定的缺点,难以发展高性能的器件.未来高性能的硅基光开关(阵列)和调制器恐怕还得依赖线性电光效应,尽管单晶硅不存在线性电光效应, 族合金半导体如Β2Si C 、GeC 、SnC 、SiGe 、SiSn 和GeSn 都有很强的线性电光效应[84].这类器件可以向硅衬底上的 族二元、三元合金半导体材料发展.而能够用于113Λm 波长的硅基红外光探测器目前仍寄希望于Ge x Si 1-x Si 多量子阱波导探测器,若要保证一定的外量子效率(如10%),则带宽超过5GH z 是困难的,因为这种探测器中Ge x Si 1-x 仍是间接带隙材料,它对红外光的吸收很弱,这一点大大制约了器件性能的提高.参考文献1 Special issue :S ilica on silicon integ rated op tics ,International J .Op toelectronics ,1994,9(2)2 So ref R A ,L o renzo J P .IE E E J .Q uantum E lectron .,1986,22(6):873～8793 Sp lett A ,Peter m ann K .IE E E P 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Fernando C ,Janz S ,Baribeau J M ,et al .E lectron .L ett .,1994,30(11):901～90376 Coco rullo G ,R ennina I .E lectron .L ett .,1992,28(1):83～9577 Feng S T ,Irene E A .A pp l .P hy s .,1992,72(9):3897～390378 李国正,李道全,刘恩科.半导体光电,1994,15(3):273～27679 T saur B Y ,Chen C K ,M arino S A .E ng ineering ,1994,33(1):72～7880 L in T L ,Park J S ,Gunapala S D ,et al .Op tical E ng ineering ,1994,33(3):716～72081 Zhou M J ,Ho llem an J ,W allinga H .E lectron .L ett .,1994,30(11):895～89782 C rookes C G ,C ro ston I R ,Pescod C R .E lectron .L ett .,1994,30(12):1002～100383 A yliffe P ,Parker J ,Berto lni S ,et al .International J .Op toelectronics ,1994,9(2):179～19184 So ref R A .A pp l .P hy s .,1992,72(2):626～630SI -BASED OPT I CAL W AVEGU I D E STRUCTURES AND D EV I CESL iu Yu liang W ang Q i m ing(N IO E L abora tory ,Institu te of S e m icond uctors ,Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100083,Ch ina )Abstract T h is p ap er p resen ts a concise review of the silicon 2based op tical w avegu ides ,devices and techno logy .T he low 2lo ss w avegu ides ,electro 2op tic w avegu ide devices ,w avegu ide p ho todetecto rs fo r infrared radiati on detecti on ,and Si O 2op tical circu its are included .Key words silicon ,op tical w avegu ide .171期刘育梁:硅基光波导结构与器件。