硅基中红外光波导器件的基础研究

摘要

中红外硅光子回路，具有很宽的中红外透射光谱范围（透射波长可达8μm）、和CMOS工艺兼容、具有稳定的机械和化学特性，使其在中红外化学传感和中红外环境监测等领域的应用越来越受到重视。
　　如今，硅集成光电子技术主要是基于传统的绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)材料，通过埋氧层作为下包层将光场限制在顶层硅的波导中，阻止光场向衬底泄露，实现光的低损耗传输。然而，适用于近红外光学回路的成熟的SOI材料在中红外波段(3～8μm)光波导器件中的应用却受到埋氧层的限制，这是由于二氧化硅在波长大于3.6微米的中红外波段存在很大的吸收损耗。为了将硅基中红外推向中红外波段，设计具有低吸收损耗下包层的中红外硅基光波导结构显得越来越重要。
　　因此，本文提出了通过在SOI平面波导两侧开小孔的方式将波导正下方的埋氧层刻蚀掉，从而形成以空气为下包层的中红外低损耗悬浮脊波导结构。本文具有创新意义的工作主要集中在以下几个方面:
　　1.调研了目前有关中红外光波导器件的研究现状。提出了新型悬浮脊波导结构，从理论上分析中红外波段内脊波导的单模条件，然后结合实验室现有工艺条件确定了可行的实验方案，并开展了相关的实验研究。
　　2.设计分析了一种基于SOI(Silicon-On-Insulator)中红外低损耗悬浮脊波导的MMI-MZI型热光调制器。对基于悬浮波导的调制器的参数进行了分析，并给出了工艺实现方法。在波长5.4μm，采用3D-BPM（BeamPropagationMethod）方法对热光调制器的模型进行了传输特性的仿真。结果表明在加热电极长度为3000μm时，热光作用区通过很小的温度变化△T=5.3℃时，可以实现消光比为-40dB。
　　3.搭建了波长为5.4μm的中红外光波导测试系统。在实验室现有条件的基础上，搭建了波长为5.4μm的硅基光波导器件测试系统。该系统由5.4微米氦氖激光器、中红外透镜、斩波器、锁相放大器、载物台、探测器组成。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 硅基中红外光波导的发展现状

1．2．1 基于SOI的常规脊波导、条波导结构

1．2．2 异质结结构

1．2．3 背向开空气槽的undercut结构

1．2．4 硅支架结构(silicon pedestal structure)

1．2．5 Freestanding结构

1．2．6 基于SOI材料的悬浮波导结构

1．3 中红外激光器的发展

1．3．1 半导体量子级联激光器

1．3．2 固体激光器

1．3．3 化学激光器

1．3．4 气体激光器

1．3．5 倍频激光器

1．3．6 差频激光器和光参量激光器

1．4 中红外光纤的介绍

1．5 本文的研究意义及主要内容

2 中红外硅基光波导及器件的设计和理论分析

2．1 基于SOI的中红外悬浮波导的设计

2．1．1 基于SOI的中红外悬浮脊波导的设计

2．1．2 基于SOI的中红外悬浮slot波导的设计

2．2 基于SOI中红外悬浮波导的理论分析

2．2．1 基于SOI的中红外悬浮脊波导的分析

2．2．2 基于SOI的中红外悬浮脊波导的多模干涉型功分器的分析

2．3 基于SOI悬浮波导的中红外热光调制器的分析

2．3．1 工作原理

2．3．2 器件的设计

2．3．3 调制特性的BPM仿真

2．4 中红外波段硅的等离子色散效应

3 中红外光波导的制备

3．1 硅基相关工艺原理介绍

3．1．1 硅的热氧化

3．1．2 硅的湿法刻蚀

3．2 基于SOI的常规脊波导的制备

3．2．1 SOI片清洗

3．2．2 热氧化法制备二氧化硅掩膜

3．2．3 光刻

3．2．4 利用湿法腐蚀制备波导

3．3 基于SOI悬浮薄膜波导的制备

3．4 实验工艺的总结

4 中红外5．4微米测试平台的搭建

4．1 中红外5．4微米测试平台的介绍

4．1．1 氦氖激光器

4．1．2 平凸透镜

4．1．3 碲镉汞探测器和前置放大器

4．1．4 斩波器和锁相放大器

4．2 测试结果

4．2．1 测试平台的工作情况

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 本文的不足与展望

参考文献

附录