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SOI基集成光波导器件及表面粗糙度改善的研究

作　者: 高凡
导　师: 张峰
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 集成光学 SOI脊形波导 电感耦合反应离子刻蚀 侧壁粗糙度, 散射损耗
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 252次
引　用: 2次
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内容摘要


与传统材料不同,SOI特有的结构特点所带来的优势使其同时具有优异的光学性能和电学性能,且其工艺与CMOS工艺完全兼容,可以实现低成本SOI基集成光电子回路。不仅无源和有源光电子器件可以在SOI材料上制备,MEMS器件也可以做在SOI衬底上。SOI技术代表了微电子和光电子领域的的发展方向。本论文对SOI大截面脊形波导器件及其脊形波导侧壁表面粗糙度的改善进行了研究。 SOI光波导采用脊形波导结构可以实现大截面尺寸波导的单模传输。采用有效折射率方法(EIM)使三维脊形波导等效成二维平板波导,利用有限差分光束传输法(FD-BPM)获得SOI脊形光波导和标准单模光纤之间的模场失配损耗,优化结构参数,为最大限度降低耦合损耗提供依据。采用电感耦合反应离子刻蚀制备SOI脊形光波导器件,并给出了工艺流程。为减少SOI波导端面菲涅耳反射损耗,采用离子束增强沉积方法在波导端面制备了氮氧化物增透膜,大大降低了菲涅耳反射损耗。 本文介绍了矩形多模干涉耦合器的基本原理,以1×3干涉型SOI多模干涉耦合器为例,采用有效折射率方法和光束传播法(BPM)模拟了多模波导中的光场分布,分析了多模干涉耦合器的多模波导宽度及刻蚀深度的制作容差性。利用EIM方法和BPM方法模拟了两种新型结构的1×3SOI均衡光功率分配器的光场传输特性。 采用Payne和Lacey的理论公式计算和分析了SOI脊形波导侧壁表面造成的散射损耗。采用原子力显微镜直接测试了SOI脊形波导端面和侧壁的表面形貌,通过获得的表面均方根粗糙度估计了相应的散射损耗,并比较了两种不同刻蚀工艺对侧壁表面粗糙度的影响。通过氢退火、热氧化处理工艺研究了降低侧壁表面粗糙度的方法。氢退火、热氧化处理均能大幅度降低侧壁表面粗糙度。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-10
第一章 绪论  10-19
  1．1 集成平面波导器件常用的材料  10-13
    1．1．1 铌酸锂晶体  10-11
    1．1．2 硅基沉积二氧化硅  11
    1．1．3 InGaAs／InP  11-12
    1．1．4 聚合物  12
    1．1．5 绝缘体上的硅(SOI)  12-13
  1．2 SOI集成光波导器件  13-19
    1．2．1 SOI多模干涉光耦合器  14-16
    1．2．2 SOI波导型光功率分配器  16-17
    1．2．3 本论文工作  17-19
第二章 单模SOI脊形光波导的设计与制备  19-41
  2．1 SOI脊形光波导单模条件  19-23
    2．1．1 SOI脊形光波导等效模型分析  19-21
    2．1．2 脊形光波导的单模条件及分析  21-23
    2．1．3 SOI脊形光波导的模拟  23
  2．2 SOI脊形光波导的光损耗分析  23-29
    2．2．1 SOI脊形光波导的耦合损耗分析  24-28
    2．2．2 SOI脊形光波导的传输损耗分析  28-29
  2．3 电感耦合等离子体反应离子刻蚀  29-32
  2．4 SOI脊形光波导的制备  32-38
  2．5 氮氧化硅薄膜的制备与测试  38-40
  2．6 小结  40-41
第三章 SOI基集成光波导器件的设计与制备  41-62
  3．1 1×3 SOI多模干涉耦合器的设计与制备  41-49
    3．1．1 多模干涉耦合器的基本原理  41-45
    3．1．2 1×3 SOI多模干涉耦合器的设计  45-47
    3．1．3 1×3 SOI多模干涉耦合器的制作容差性分析  47-48
    3．1．4 1×3 SOI多模干涉耦合器的制备与测试  48-49
  3．2 SOI光功率分配器  49-51
  3．3 附有耦合间隙的SOI树型三端光功率分配器  51-57
    3．3．1 器件设计  51-53
    3．3．2 模拟分析  53-56
    3．3．3 制备与测试  56-57
  3．4 含一个衬底微棱镜和两个波导扩大器的1×3 SOI单模均衡功率分配器  57-61
    3．4．1 器件设计  57-58
    3．4．2 模拟分析  58-59
    3．4．3 制备与测试  59-60
    3．4．4 1×3 SOI多模干涉耦合器、SOI三端光功率分配器、1×3 SOI单模均衡功率分配器的比较  60-61
  3．5 小结  61-62
第四章 波导散射损耗及其降低方法  62-76
  4．1 Payne和Lacey散射公式  62-64
  4．2 波导表面粗糙度的测量  64-69
    4．2．1 SOI脊形波导Air／Si界面的表面形貌  64-65
    4．2．2 SOI脊形波导侧壁的表面形貌  65-67
    4．2．2 镀增透膜后SOI脊形波导端面的表面形貌  67-69
  4．3 降低表面粗糙度的方法  69-74
    4．3．1 ICPRIE同步工艺和氢退火  69-71
    4．3．2 ICPRIE同步工艺和热氧化处理  71-74
  4．4 小结  74-76
第五章 结论  76-78
参考文献  78-88
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  88-89
致谢  89-90
个人简历  90-91
学位论文独创性声明  91

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光波导
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