硅基弱束缚型光波导制备及性质研究

摘要

随着光信息技术的发展，光学器件的微缩化与集成化已经成为主流的发展方向。光波导作为光学器件的基本组成结构，无论在结构还是材料上都得到了广泛的研究。目前一类具有特殊性质的波导引起了人们的关注，这就是模场弱束缚型波导，主要代表有微纳光纤及硅纳米线，但是这些波导具有不易集成或制备工艺复杂、成本昂贵等不足之处，基于此，我们研究了一类新型的硅基弱束缚型波导，并对其性质进行了数值分析以及样品性质的测量。rn 在结构上，这种波导尺寸具有大的纵横比，厚度仅为宽度的1/10或更小，这样波导对模场的束缚在纵向上就远小于横向，因此整体模场分布就形成了一个类圆型，选择合适尺寸后波导与商用单模光纤的耦合损耗可以达到一个极低的数值，通过数值模拟我们可以得到这种波导与光纤的耦合损耗最低能降到0.15dB以下。同时在纵向尺度上这种波导也具有很大的容差，在最佳厚度附近尺寸误差即使达到10％亦能将损耗控制在0.2dB以内，这样对制备工艺的要求就可以大幅度降低。rn 在波导的制作工艺上我们采用了溶胶.凝胶技术结合DC-RTA(Dip-Coating and Rapid ThermalAnnealing)技术制备不同厚度的衬底层及芯层，并利用湿法腐蚀技术刻蚀出波导结构，具有工艺简单、成本低、低环境污染等优点。通过DC-RTA技术我们可以制备出单层厚良为50 nm左右的薄膜，并且在热致密化时及时释放出热应力，通过反复提拉可以得到10μm以上厚度的薄膜。在包覆层材料上，我们选择了TEOS体系，用溶胶.凝胶技术制备出厚度在10～15μm的SiO2衬底，这个厚度能保证波导中传输的光不会进入到硅片中，同时在1550nm波段具有非常低的传输损耗。在芯层上，我们选择了有机/无机复合材料ZPO/MAPTMS体系，经过1000℃高温灼烧后制备得到SiO2-ZrO2薄膜，这种材料具有以下优势：1)退火后，SiO2-ZrO2薄膜样品在1550 nm波长下的折射率与其中ZrO2比例成线性关系，折射率调节范围可以达到0.2以上，这样通过改变ZrO2比例就可以满足不同折射率著的需要；2)制备出的薄膜表面粗糙度很小，通过对薄膜样品表面进行AFM测量，我们得到不同在ZrO2比例下表面粗糙度基本可以控制在0.5 nm，这样波导的散射损耗就可以较好得到控制；3)在1550 nnl波段具有较小的传输损耗，经过测量，ZrO2含量为25%的样品传输损耗为0.7 dB/cm左右。rn 我们对一块厚度为0.56μm，折射率差为0.03的波导样品进行了测量，波导长度为18 mm，波导宽度从4μm到8.5μm。在波导宽度为8μm处我们得到了一个耦合损耗最低值0.2 dB。rn 综上所述，我们制各的这种波导具有可集成化、低耦合损耗、低传输损耗，制备工艺简单等优势，波段折射率差可调范围大，并且其在纵向模场上具有弱束缚的性质也预示着可以在垂直方向耦合器、高灵敏度光学传感器等方向有良好的应用前景。