三维硅光子集成关键技术的研究探索

摘要

三维硅光子集成是通过将各种硅基光子器件分别制作在垂直方向的不同层中，从而构成多层硅光子互连网络。这种技术不仅从物理上避免了单层光互连技术中不可避免的波导结构交叉问题，而且打破了芯片面积对单层光互连技术的限制，有效的实现了片上光互连集成度的提高。
　　本论文主要是对三维硅光子集成中的关键技术进行研究探索。文中以直波导和双层波导交叉结构为主，探索了三维硅光子互连中的材料生长与选取问题、结构设计以及多层硅光子器件的制作工艺，为进一步研究三维硅光子集成技术打下一定基础。具体的研究内容如下：
　　（1）对比研究了等离子体增强化学气相沉积法（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）和感应耦合等离子体化学汽相淀积法（ICPCVD，Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition）制备的波导材料在1.55μm红外通信窗口的折射率和吸收系数，提出了波导结构采用ICPCVD生长的材料做芯层和旋涂玻璃（SOG，Spin-On-Glass）做包层的方案。
　　（2）采用SOG替代传统的SiO2材料做波导包层的方法，可以同时获得非常平坦的隔离层表面。通过三维有限时域差分法（FDTD，Finite Difference Time Domain）模拟计算了替换方案对波导传输损耗和交叉损耗的影响。采用SiO2做包层材料的波导传输损耗为-0.383 dB/cm，交叉损耗为-0.018 dB/cross，采用SOG做包层后，波导的传输损耗变为-0.463 dB/cm，交叉损耗变为-0.008 dB/cross。
　　（3）研究了采用SOG实现隔离层平坦化的工艺条件，达到了全局平坦化的效果，表面粗糙度仅为5.2 nm。
　　（4）研究了单层直波导和交叉波导结构的工艺流程，并制备了样品进行测量。SiO2做包层的波导传输损耗为-5.65 dB/cm，交叉损耗为-0.042 dB/cross。采用SOG做包层后，波导的传输损耗变为-6.10 dB/cm，交叉损耗变为-0.031 dB/cross。