中红外透明薄膜材料和集成光学器件研究

摘要

近年来，片上集成光波导和谐振器器件引起了研究者的极大的兴趣。利用高折射率对比光波导材料，小体积，高集成度的光学器件已实现在光通信、光互连和光传感微系统中的应用。集成光波导材料应具备的关键性能是高折射率、宽透明波段和低传输损耗。然而目前集成光波导材料包括绝缘体硅、氮化硅、二氧化硅和硫系玻璃存在折射率范围窄，透明波段窄或者半导体工艺不兼容等问题，制约了器件的发展。
　　针对以上问题，本文提出基于HfO2，ZrO2和TiO2等高K氧化物材料做为红外光波导器件。利用材料高折射率，半导体工艺兼容及宽透明波段的特点，解决目前集成光学材料折射率、透明波段窄或半导体工艺不兼容的问题。本文着力探讨非晶高 K氧化物薄膜材料的制备方法和光学性能，并利用微纳加工工艺制备出近红外和中红外波导和谐振器，获得低损耗高K氧化物集成光学器件。
　　首先，论文对光波导理论及模式的数值解法做了介绍，包含光波导的基本结构和概念、平板波导模式的解析解法、脊形波导的有效折射率近似解法和几种常用的数值计算方法。介绍了光学微环谐振器的工作原理，并给出了利用微环谐振器来测量波导传输损耗的方法。对实验中用到的工艺和测试手段做了介绍。
　　其次，通过复合靶反应溅射法沉积了Zr1-xTixO2（ZTO）薄膜，用直流射频反应共溅射法沉积Hf1-xTixO2(HTO)薄膜。利用X光衍射仪，紫外-可见分光光度计，傅里叶转换红外光谱仪，X射线光电子能谱，原子力显微镜和椭偏仪对材料结构和光学常数系统表征，获得了非晶、高透明度、表面平坦且折射率可随成分变化的ZTO和HTO薄膜，为波导和谐振器器件提供了材料基础。
　　然后，利用有限元方法和仿真软件 COMSOL研究近红外波段通道波导和脊型波导的几何尺寸对波导模式的影响，并找出单模波导的条件。利用光刻、电子束曝光、沉积剥离等工艺制备出HfO2波导和谐振器，并采用端面耦合法表征了波导和谐振器的性能；通过调节各工艺参数，得到了损耗低的HfO2波导和谐振器。
　　最后，仿真出Ge23Sb7S70/Zr0.6Ti0.4O2中红外波导的单模条件，采用电子束曝光-沉积剥离法制备了Ge23Sb7S70/Zr0.6Ti0.4O2单模波导和谐振器。测试了该谐振器在中红外波段的透射频谱，并利用有限元仿真计算了ZTO薄膜在中红外波段的低损耗。
　　本文发展的基于高K氧化物HfO2，TiO2和ZrO2及固溶体的光学薄膜材料具有高折射率、宽透明波段和低光学损耗的特点，在可见光至中红外频段半导体集成光波导器件中具有广阔的应用前景。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本论文的主要内容

1.4 本文的创新点

第二章 光波导和谐振器基本理论

2.1 波动方程

2.2 平板波导

2.3 条形波导

2.4光波导的数值计算方法

2.5 光学谐振器理论

2.6 本章小结

第三章 实验制备手段和测试方法

3.1 薄膜制备

3.2 光刻

3.3 干法刻蚀

3.4 材料表征

3.5 波导测试系统

第四章 高K材料的制备和表征

4.1 Zr1-xTixO2薄膜

4.2 Hf1-xTixO2薄膜

4.3 本章小结

第五章 近红外波导的制备和表征

5.1波导结构对波导模式的影响

5.2 HfO2近红外波导的制备和测试

5.3 本章小结

第六章 中红外波导的制备和表征

6.1 Ge23Sb7S70/Zr0.6Ti0.4O2中红外波导的制备和测试

6.2 ZrO2中红外波导和谐振器

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果