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紫外诱导折变AWG材料基础研究

作　者: 唐海侠
导　师: 张玉书
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 紫外诱导基础研究折射率变化掩模板二氧化锗氧化硅吸收损耗平面波导真空炉布拉格光栅
分类号: TN256
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着全球通信业务量的飞速增长，光通信系统和网络对带宽和容量的需求也不断提高，波分复用技术可以实现大容量和多功能，因此在网络业务应用方面具有巨大的潜力，成为光纤通信领域的首选技术。列阵波导光栅因传输损耗小、波长分辨率高、易与光纤耦合等优点而被认为是最有发展前途的一种新型器件。它是由一系列输入输出波导、列阵波导和两个块波导组成的，列阵波导中相邻波导间的长度差为常数值，可以起到光栅的作用，从而完成不同波长光的复用和解复用功能。　本论文首先介绍了列阵波导光栅波分复用器的研究进展及其在光通信领域的应用，如光分束器／路由器、波长选择开关、光上路／下路复用器和多频激光器等，这充分展示出列阵波导光栅的发展前途无可限量。　然后介绍了列阵波导光栅基本结构和基本功能，并从理论上简要推导了列阵波导光栅的光波导原理，阐述了目前　ＡＷＧ的相位误差补偿、温度误差补偿和波长响应平坦化以及双折射控制的常用方法。　硅基二氧化硅平面波导技术是９０年代发展起来的，在国外已经比较成熟，在国内也逐渐成为人们研究的热点。由于硅加工工艺非常成熟、便于光电子器件的大规模集成，并且由于常用光纤导波材料ＳｉＯ２　便于在硅基底上制作，因此，硅基二氧化硅光波导备受人们关注。硅基二氧化硅薄膜材料的制备一直是硅基ＡＷＧ器件制作的重点和难点之一。　本论文采用火焰水解法制备二氧化硅薄膜以及掺杂二氧化锗的二氧化硅波导材料，该方法具有成膜速度快、设备简单、易于操作等优点而被广泛采用。用这种方法我们已经成功地制备出了均匀性好、损耗低的二氧化硅和掺杂二氧化锗的二氧化硅薄膜材料，并利用高温电阻炉和真空炉分别对已经 63<WP=70>制备的薄膜进行高温致密化处理，使薄膜的结构更加致密，吸收损耗更低。然后我们分别采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、原子力显微镜（ＡＦＭ）、Ｘ－射线衍射仪（ＸＲＤ）、Ｘ－光电子能谱（ＸＰＳ）以及椭偏仪等对退火处理前后的二氧化硅膜的表面特性进行了分析。由ＸＰＳ谱分析可知我们制备出的ＳｉＯ２膜中Ｓｉ－Ｏ键组态是化学配比的，但是在退火过程中表面吸附了空气中的氧气而使氧的配比变大，因此最好在真空条件下退火。通过ＡＦＭ图和ＳＥＭ图可以看出，退火后的ＳｉＯ２膜很致密，可有效地减少光的散射损耗。同时测量了ＳｉＯ２膜的折射率和消光指数，在１．５５μｍ处其折射率为１．４５６４，损耗小于０．１ｄＢ／ｃｍ，该材料适合用作波导的下包层；对高温电阻炉（空气气氛）中和真空炉（真空气氛）中退火前后的薄膜进行了性能测试分析比较，可知退火时的气氛条件会影响致密化ＳｉＯ２膜的状态：固化以前的ＳｉＯ２膜是一种疏松的无定形絮状结构；在高温电阻炉中固化后的ＳｉＯ２膜是结构致密的晶态ＳｉＯ２（方石英）；而在真空炉中固化的ＳｉＯ２却是致密均匀、平整度好、光滑透明的玻璃态结构。并且退火处理后薄膜的厚度变薄。　同时我们也对退火后的掺杂二氧化锗的二氧化硅薄膜的性能进行了测试分析，通过ＸＰＳ谱可知制备出的薄膜中的Ｓｉ和Ｇｅ是以ＳｉＯ２和ＧｅＯ２的形式存在，并且算出了薄膜中掺入ＧｅＯ２的摩尔百分含量；通过椭偏仪测量出了不同退火温度下折射率和消光指数的变化情况，可以得到致密化处理的温度越高，材料的折射率也越大，吸收损耗越低。并且得到退火后薄膜的厚度变薄。　近年来，ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜中的紫外光致折变现象引起了广泛的关注，因为它具有一个潜在的优势——那就是应用在集成光路和集成光学元件中。这种光敏特性存在于ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜中的５ｅＶ吸收带附近，它导致的直接结果是在紫外光照射下，薄膜中的折射率发生较大的变化。　我们利用ＫｒＦ准分子激光器（工作波长２４８ｎｍ）对ＧｅＯ２含量为７．５ｍｏｌ％的ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜（利用火焰水解法制备，并进行了高压注氢增敏处理）进行 64<WP=71>辐照，研究了它的折射率变化规律，发现紫外光辐照以后薄膜的折射率明显变大，变化相对值达到１０－３数量级，在波长１５５０ｎｍ附近折射率变化的相对值达到了０．３３％，这一数值接近了目前相关实验的国际水平；通过椭偏仪对紫外光照射前后薄膜的折射率、消光指数和厚度进行了测试分析，我们认为紫外光辐照ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜，存在某种“热”效应，表现在它跟高温致密化处理一样能对薄膜达到某种程度的致密化效果，使薄膜的厚度变薄，而且两种情况下的折射率和吸收损耗随波长具有相同的变化趋势。在ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜紫外光致折变实验研究过程中，我们用周期为２０μｍ的掩模板进行掩模，在平面波导上诱导出折射率变化的条形波导。条形波导的宽度约为２０μｍ，与掩模板的周期一致。　因为紫外光照引起ＧｅＯ２－ＳｉＯ２薄膜材料的大的折射率变化，所以我们认为采用紫外写入法在二氧化硅平面波导上直接制作出 AWG 器件是有可能实现的。进而提

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第一章引言  7-15
  1.1 波分复用技术(ＷＤＭ)  7-8
  1.2 列阵波导光栅波分复用器的研究进展  8-10
  1.3 列阵波导光栅波分复用器的应用  10-15
    1.3.1 光分束器／路由器  10-11
    1.3.2 波长选择开关  11-12
    1.3.3 光上路／下路复用器(ＡＤＭ)  12-14
    1.3.4 多频激光器  14-15
第二章列阵波导光栅(ＡＷＧ)波分复用器的原理和主要特性  15-25
  2.1 ＡＷＧ的基本结构  15-16
  2.2 ＡＷＧ的工作原理  16-19
  2.3 ＡＷＧ的相位误差补偿  19-20
  2.4 ＡＷＧ的温度误差补偿  20-22
  2.5 ＡＷＧ的波长响应平坦化  22-23
  2.6 ＡＷＧ的双折射控制  23-25
第三章列阵波导光栅(ＡＷＧ)复用器的制作工艺  25-40
  3.1 硅基二氧化硅材料制备  25-28
    3.1.1 火焰水解法基本原理  26
    3.1.2 火焰水解法淀积二氧化硅波导材料实验  26-27
    3.1.3 高温致密化处理  27-28
  3.2 掺杂二氧化锗的二氧化硅厚膜制备  28-29
  3.3 二氧化硅膜性能分析  29-36
    3.3.1 在高温管式电阻炉中退火处理后的薄膜性能分析  29-33
    3.3.2 在高温电阻炉中和真空炉中退火处理后的薄膜性能分析比较  33-36
  3.4 掺杂二氧化锗的二氧化硅膜的性能分析  36-40
第四章紫外光诱导ＧｅＯ2 ＳｉＯ2膜折射率变化特性研究  40-50
  4.1 紫外光诱导ＧｅＯ2 ＳｉＯ2膜的折射率变化机制  40-41
  4.2 紫外光诱导ＧｅＯ2 ＳｉＯ2膜折射率变化机制的应用  41-43
  4.3 紫外光诱导ＧｅＯ2 ＳｉＯ2薄膜折射率变化的实验研究  43-50
    4.3.1 紫外光诱导实验过程  43-44
    4.3.2 紫外光照前后薄膜表面特征分析  44-46
    4.3.3 紫外光照前后薄膜的特性分析  46-50
第五章紫外写入列阵波导光栅器件基础研究  50-60
  5.1 传统方法制作列阵波导光栅  50-51
  5.2 紫外写入制作列阵波导光栅  51-55
    5.2.1 实验步骤及流程图  51-53
    5.2.2 紫外写入法制作的ＡＷＧ器件优化  53-54
    5.2.3 实验中面临的主要问题  54-55
  5.3 紫外写入制作平面波导光栅  55-60
结论  60-63
参考文献  63-68
致谢  68-69
中文摘要  69-73
英文摘要  73-76

紫外诱导折变AWG材料基础研究

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