SOI纳米波导的优化制备与弯曲损耗测试
波导特性
2009年芬兰Helsinki技术大学的A. Säynätjoki等人研究了在狭缝波导中采用倾斜侧壁结构的优越性。
采用倾斜壁狭缝结构波导的模式大多集中在狭缝的底部，有效模式的面积随着狭缝底部宽度的减小而减小，由此表明模式限制增强了。
倾斜壁原子层沉积生长，采用钛氧化物作为ALD的生长材料很好的用作狭缝的非线性填充材料。
<FEM—FimmWave 软件>（Advantages of Angled Sidewalls in Slot Waveguides------ A. Säynätjoki、T. Alasaarela、A. Khanna、L. Karvonen）2010年日本北海道大学Masa-aki KOMATSU等人研究了水平狭缝波导高非线性特性和低而平坦的色散特性。
数值模拟结果显示6000/W/m的非线性系数，平坦色散带宽为260nm,制作容差为±10nm。
<FEM>( Highly-Nonlinear Horizontal Slot Waveguides with Low and Flat Dispersion--- Masa-aki KOMATSU、Kunimasa SAITOH、Masanori KOSHIBA)2010年G. Pandraud等人研究了SiC-SiO2-SiC水平结构的狭缝波导。
1.3um的波导测试的准TM模式传输损耗为23.9±1.2dB/cm。
目前报道的最少损耗的垂直式50nm单狭缝波导的TE模的损耗约为11.6±3.6dB/cm。
SiC材料的折射率小于Si但是远高于SiO2，制作时有更高的容差能力。
N SiC=2.35，N SiO2=1.45，通过改变波导结构测得在狭缝厚为238nm，板厚为108nm条件下最大的限制功率为38%。
如果减小横向尺寸，那么准TE模式将会消失，而准TM模不会有太多的影响。
基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE_TM偏振分束器
47, 051301 (2010) ©2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器王剑威戴道锌时尧成杨柳(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。
考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。
通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。
数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 µm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。
关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 ADesign of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu(Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, ZhejiangUniversity, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 µm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB.Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator1 引言近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。
新型S形光波导低弯曲损耗路径设计
新型S形光波导低弯曲损耗路径设计孙光春;周自刚;杨永佳;王强【摘要】为了降低光波导中的弯曲损耗,从理论上分析了光波导的弯曲损耗、过渡损耗产生的根源,并以此为依据推导出符合弯曲、过渡低损耗的5次,6次,7次,8次和9次幂函数表达式.由MATLAB和MAPLE工具软件计算可知,9次幂函数的图形曲线最圆滑,当取h=125μm,L=800μm(高分支比)时其弯曲损耗可以减小到4.57dB,与传统常用的余弦函数和反正弦函数进行比较,在相同条件下弯曲损耗有了明显的降低.结果表明,所设计的1×4光功分器优化路线,传输性能优良,分配均匀.这为以后Y分支光波导的制作有很好的指导意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)005【总页数】4页(P690-693)【关键词】集成光学;低弯曲损耗;9次幂函数;MATLAB;有限差分光束传输法【作者】孙光春;周自刚;杨永佳;王强【作者单位】西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010【正文语种】中文【中图分类】TN252;TN256引言光波导是集成光学中必不可少的器件。
由于光波导中光束传播方向的改变和光束传输轴移位的需要,光波导中的弯曲是必需的，波导弯曲会引起波导材料在光的传输方向上光学特性分布的变化,引入传输中光波的额外损耗。
在光波导器件中为了使光波按要求传输，同时尽可能减小传输损耗，人们对光波导弯曲的光路设计进行了广泛的研究[1-4]。
因此，找到一种大角度、低损耗的波导弯曲路径就变得很重要。
为了设计出低损耗的光波导，得出有效的计算方法，本文中将分析波导弯曲中产生的根源，考虑相关的边界条件，推导光波导S弯曲的优化函数公式，并进一步理论上计算弯曲函数的损耗。
1 弯曲损耗理论分析1.1 纯弯曲损耗若仅仅基于弯曲的本质性考虑，其损耗可分为两部分：纯弯曲损耗和过渡损耗[5]，弯曲损耗系数可以表示为：α(R)=Cexp(-C0R)(1)式中，R为弯曲段的曲率半径,C,C0与R无关，由相应的直波导决定[6]。
SOI及其制备工艺ppt
外延层质量差
可能是由于外延层沉积温度过高或过低、气体流 量不稳定等因素造成的。解决方法是控制外延设 备参数，保证外延层的质量。
硅片表面裂纹
可能是由于划片过程中参数设置不当或封装测试 过程中温度和压力控制不当造成的。解决方法是 控制划片和封装测试工艺参数，避免硅片表面产 生裂纹。
THANK YOU.
技术特点
该工艺具有剥离速度快、剥离精 度高、对衬底损伤小等优点，同 时可实现自动化生产。
应用领域
广泛应用于高质量SOI结构的制 备，如高频率、高功率器件和集 成电路等。
03
SOI材料性能及特性
SOI材料的物理性能
晶格结构
SOI材料的晶格结构通常是SiC或SiO2，具有高熔点、高弹性模 量和低热膨胀系数等特点。
02
紫外线和红外线防 护性
SOI材料能够阻挡紫外线和红外 线等短波长辐射，具有较好的防 护作用。
03
高温下的光学性能
SOI材料在高温下仍能保持良好 的光学性能，具有较高的应用价 值。
04
SOI的未来发展及前景
SOI技术的发展趋势
高速、高压、高温技术
为满足电力电子器件高效率、高频、高温工作需求，SOI技术将向高速、高压、高温方向发展。
制备工艺操作步骤及注意事项
• 硅片清洗时，需要控制清洗液的温度和时间，以避免硅片表面产生划痕和氧化。 • 热氧化时，需要控制氧气或水蒸气的流量和温度，以获得高质量的二氧化硅膜。 • 外延生长时，需要控制沉积温度和压力，以获得高质量的外延层。 • 离子注入时，需要控制注入的杂质种类和剂量，以获得所需的电学性能。 • 退火时，需要控制退火温度和时间，以获得均匀的杂质分布和良好的晶体质量。 • 划片时，需要控制切割设备和工艺参数，以避免硅片表面产生裂纹和破损。 • 封装测试时，需要进行有效的质量检测和可靠性评估，以保证产品的质量和可靠性。
小型环形谐振腔的微波光子基于光子晶体波导滤波器
小型环形谐振腔的微波光子基于光子晶体波导滤波器状态信息光子学与光通信重点实验室，我们设计了两个微波光子滤波器（陷波滤波器和带通滤波器）的基础上的绝缘体上硅（SOI）的光子晶体波导的60 GHz的单边带信号在光纤无线电（ROF）系统。
通过影响相邻的光子晶体波导孔前两排的半径，我们得到的一个广泛的可忽略色散带宽和相应的恒定的低群速度。
与缓慢的光的作用，延迟线滤波器可以同时提供相同的延迟时间显著减少光纤延迟线。
仿真结果表明，该陷波滤波器的延迟线的长度是只25.9μM，和它有一个自由光谱范围130 GHz，基带的宽度（BW）的4.12 GHz，22分贝的缺口深度。
带通滤波器的长度是62.4μ米，具有19.6 dB的消光比4.02 GHz的带宽，并可以为减少9分贝的接收数据的信噪比的要求10−7比特差错率。
证明微波光子晶体滤波器可以用在未来的高频毫米波ROF 系统。
1．简介近年来，出现了快速的改善60 GHz的毫米波在光纤无线电（ROF）因为它可以在一个未使用的频谱，操作系统。
的ROF系统的优点在于它的中央管理的建筑，这意味着复杂的电子信号处理可以集中在中央办公室。
由于这个原因ROF系统可以减少网络数元素，因此网络的成本和功耗可以减少。
虽然标准达到（∼20公里）ROF接入网得到了更多的关注，有小的注意力都集中在朗里奇（大于100公里）的ROF系统。
一个可能的原因是长距离光纤可以导致严重的色散。
它增加了不同延迟的的边带和载波。
例如，传统双边带（DSB）调制可能导致重复的长度取决于功率波动问题，这光载波抑制（OCS）调制通常是用来解决。
不过，OCS也可以导致严重的时移由两个由于色散数据音调。
它导致不可接受的误差率在传输。
单边带（SSB）ROF系统还可以减少功率衰落的影响和时移，但需要严格的光学单边带陷波滤波分离载体和侧音。
微波光子晶体滤波器（MPF）为基础的在环形谐振器的简单和可调性和显示出良好的应用潜力在有前途的ROF系统[ 8 ]。
硅基光电子学中的SOI材料
硅基光电子学中的SOI材料陈媛媛【摘要】SOI material is an important kind of optical waveguide materials for silicon-based optoelectronics applications. In this paper,the common preparation methods of SOI materials,including SIMOX-SOI,BE-SOI,Smart Cut,are introduced at first and their different characteristics are compared. Then, the common technology to make optical waveguide using SOI materials,including photolithography and etching,are introduced. Among which,the etching technology is divided into wet-etching and dry-etching.%SOI材料是近年来应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料.本文首先简要介绍了常见的SOI材料的制备方法,包括注氧隔离(SIMOX-SOI)、硅键合背面腐蚀(BE-SOI)和注氢智能剥离(Smart Cut)等,并比较了它们各自的特点和优劣.其次介绍了SOI材料加工制造波导的基本工艺,包括光刻和刻蚀,其中刻蚀又分为干法刻蚀和湿法腐蚀.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)009【总页数】5页(P943-947)【关键词】硅基;光电子学;SOI;光波导材料;光波导器件【作者】陈媛媛【作者单位】北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048【正文语种】中文【中图分类】TN2521 引言SOI材料早期主要是应用于微电子学技术中，利用SOI材料可以制作各种高性能及抗辐射电子电路。
光电子器件论文--SOI波导光波长转换器
光电子器件论文SOI波导光波长转换器的基本原理及特性学院：信息科学与工程学院年级专业：光信息科学与技术学生姓名：学号：SOI波导光波长转换器的基本原理及特性一、引言光波长转换器主要用来增加网络的传输带宽和传输距离，并大大降低网络扩容的成本。
它可以使网络容量在不影响原有业务的情况下迅速成倍地增加，同时大大提高网络的安全性。
它具有光中继、波长转换、传输介质在单模光纤与多模光纤之间转换等等功能。
它适用于在10Mb/s～2.5 Gb/s速率范围内各种数字信号(SDH、ATM、以太网、光纤通道)和模拟信号在光纤中的复用传输和波长转换。
随着大规模集成器件的广泛应用，人们在关注器件性能的同时，也越来越在意器件的小型化以及与微电子器件的兼容性。
Silicon-on-insulator(SOI)材料是一种新型的硅基光电子材料，是近年来很热门的一种先进的光子集成技术，其制作工艺与微电子标准CMOS工艺兼容性好，不仅能大大降低成本，而且还能实现与硅基微电子电路的单片集成。
SOI 波导是指在SOI上形成的截面尺寸为亚波长量级的光波导。
Si 芯层和SiO2包层之间大的折射率差异(Δn=2)使得SOI 波导对光场有很强的限制作用，波导的弯曲半径可以小到微米量级，这就为波导器件的小型化和高密度集成化提供了巨大的便利；同时，波导中传输的光功率密度也会得到增强，由此还会出现一些在弱场情况下不易出现的新性质，如受激Raman 散射(SRS)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)等非线性光学效应，从而可以用来制作某些非线性光学器件。
全光波长转换器是光交换网络中一种关键的功能器件，利用波长转换可以实现网络中的虚拟波长通道，提高波长的重用率以及网络的灵活性和可扩展性。
二、基本原理将角频率为 p ω的泵浦光与角频率为sω的信号光同时耦合进入硅波导，在硅波导中将产生四波混频(FWM)参量过程。
在此过程中，泵浦光的能量逐渐转移到信号光sω和闲频光i ω(ωi = 2ωp -ωs )，进而可利用产生的闲频光来进行波长转换所示。
SOI集成光波导器件的基础研究
SOI集成光波导器件的基础研究随着光通信和光电子技术的飞速发展，集成光波导器件在光信息处理、光传感、光互联等领域具有广泛的应用前景。
在各种集成光波导器件中，基于硅基材料的光波导器件因其在高速、低损耗、抗电磁干扰等方面的优势，成为当前的研究热点。
本文将介绍SOI（Silicon-on-Insulator）集成光波导器件的基础研究，包括其应用领域、研究现状、存在的问题以及未来研究方向。
SOI集成光波导器件是一种基于硅基材料的光波导器件，其结构是在硅基衬底上制备一层硅膜，从而实现光波在硅膜中传播。
由于硅材料的折射率较高，且具有成熟的集成电路制造工艺，因此SOI集成光波导器件具有体积小、集成度高、速度快、功耗低等优点。
目前，SOI集成光波导器件已成为光子集成领域的重要研究方向之一。
SOI集成光波导器件的研究方法主要包括实验设计和理论分析。
实验设计包括光波导结构的设计、材料的选取和制备、器件的性能测试等环节。
理论分析则通过建立物理模型，运用数值模拟方法对光波导的传输特性进行预测和优化。
尽管这两种方法在SOI集成光波导器件的研究中具有重要应用价值，但也存在一些问题。
例如，实验设计往往需要大量的时间和资源，而且可能受到制备工艺和测试设备的限制；而理论分析则可能因为物理模型的不准确或者数值模拟方法的局限性而导致结果与实际情况存在偏差。
近期，我们开展了一系列SOI集成光波导器件的研究工作，并取得了一些有意义的实验结果。
在实验中，我们设计并制备了一种基于硅基材料的SOI光波导器件，通过对器件的传输特性进行测试，发现该器件具有低损耗、高稳定性等优点。
我们也发现该器件的传输性能受到材料制备工艺和环境因素的影响较大，这为进一步优化器件性能提供了重要参考。
SOI集成光波导器件的基础研究在光通信、光信息处理、光传感等领域具有重要的应用价值。
当前的研究成果表明，SOI集成光波导器件具有广阔的发展前景。
然而，仍然存在一些挑战和问题需要解决，如提高器件的稳定性、降低制备成本、优化器件的设计和制造工艺等。
波导弯曲损耗估算
波导弯曲损耗估算下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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SOI纳米光波导表面粗糙度的研究进展
SOI纳米光波导表面粗糙度的研究进展第４１卷第３期２０１７年５月激光技术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４１，Ｎｏ．３Ｍａｙ，２０１７文章编号：１００１－３８０６（２０１７）０３－０３６７－０９SOI 纳米光波导表面粗糙度的研究进展张辉１，２，３，桑胜波１，２，菅傲群１，２，段倩倩１，２，张文栋１，２倡（１．太原理工大学信息工程学院，太原０３００２４；２．太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室－微纳系统研究中心，太原０３００２４；３．中北大学计算机与控制工程学院，太原０３００５１）摘要：ＳＯＩ纳米光波导表面粗糙度会显著增加波导散射损耗，降低表面粗糙度是其在许多方面应用中亟待解决的关键问题之一。
首先介绍了表面粗糙度概念，总结了表面散射损耗理论方面的研究进展。
随后回顾了多种ＳＯＩ纳米光波导表面粗糙度测量方法，以及在表面形貌表征中存在的问题。
此外，还对几种波导表面光滑工艺进行介绍，并结合具体的工作对光波导表面粗糙度各方面研究进展进行了总结。
关键词：集成光学；光波导；表面粗糙度；散射损耗中图分类号：ＴＮ２５２文献标志码：Ａ doi ：１０畅７５１０／ｊｇｊｓ畅ｉｓｓｎ畅１００１－３８０６畅２０１７畅０３畅０１３Research progress of surface roughness of silicon －on －insulatornano －optical waveguideZHANG Hui１，２，３，SANG Shengbo １，２，JIAN Aoqun １，２，DUAN Qianqian １，２，ZHANG Wendong１，２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｉｒｃｏＮａｎｏＳｙｓｔｅｍＲｅ－ｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒ－ｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Abstract ：Ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｎａｎｏ－ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｌｏｓｓ．Ｉｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｕｒｇｅｎｔｌｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｌｏｓｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｖａｒｉｏｕｓａｄｖａｎｃｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆＳＯＩｎａｎｏ－ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，ｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｍｏｏｔｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｅｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｏｕｒｓｔｕｄｙ．Key words ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃｓ；ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｌｏｓｓ基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１４７１２５５；６１４７４０７９；６１５０１３１６；５１５０５３２４）；国家八六三高技术研究发展计划资助项目（２０１５ＡＡ０４２６０１）；教育部博士点基金资助项目（２０１３１４０２１１００１３）；山西省青年基金资助项目（２０１４０２１０２３－３）作者简介：张辉（１９８０－），男，博士研究生，现主要从事纳米光波导、ＭＥＭＳ传感器方面的研究。
单晶铌酸锂薄膜光波导的制备研究
44真空科学与技术学报CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY第41卷第1期2021年1月单晶铌酸锂薄膜光波导的制备研究高琴乔石裙帅垚*杨小妮罗文博吴传贵张万里(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054)Fabrication of Ridge-Waveguide with LiN b03Thin Filins：A Methodological StudyG A O Qin,Q I A0Shijun.SHUAI Y a o*,Y A N G Xiaoni.LUO W e n b o.W U O Chuangui,Z H A N G Wanli(S ta te K ey Laboratory o f Electronic Thin F ilm a n d Integrated D evices，U niversity o f Electronic Science a n d Technology o f C h in a, C hengdu610054, C h in a)Abstract The high quality ridge-waveguide,an optical modulator,was fabricated,with 450 n m thick LiNb03coatings on Si-substrate，by Ar+-ion etching and reactive ion etching (R I E)，respectively.The influence of the RIE conditions,including the pressure,C H F3/Ar flow-rate ratio and ICP/RIE power,on the etching rate,etching select i v i t y ratio,roughness/steepness/ /straightness of sidewalls,was investigated with scanning electron microscopy and atomic force microscopy.The results show that the reactive ion-etching outperforms A r+ion-etching,because of much higher etching-selectivity ratio,fairly smoother/steeper/straighter side-walls,in spite of i t s lower etching-rate. Specifically,etched under the optimized conditions and measured in the end-coupling method,the transmission loss of the ridge waveguide (10 m m-long,4 |x m-wide,370 nm-high and dipping at72°) was found to be~5.2 d B/c m.Keywords lithium niobite；A r+irradiation；reactive ion etching；optical waveguide摘要为了优化单晶铌酸锂薄膜光波导的性能，研究了基于单晶铌酸锂薄膜材料的光波导刻蚀工艺。
SOI 纳米波导的优化制备与弯曲损耗测试
图 1摇 不同波导层厚度对应的光场分布图
图 4摇 SOI 硅基光波导结构截面图
1. 2摇 光波导制备 本文主要采用电子束光刻 ( Electron Beam Li鄄
thography) 、ICP 刻蚀、高温退火、BOE 湿法腐蚀等工
1500
传摇 感摇 技摇 术摇 学摇 报 www. chinatransducers. com
Abstract:The paper mainly aimed at a serious bending loss problem of SOI nano鄄waveguide structure,conducted a theoretical simulation analysis systematically,schemed out the best nano鄄waveguide structure,and made use of the MEMS technology on the fabrication and processing of optimization. Then this work made a precise testing of the roughness of waveguide sidewall and the corresponding bending loss after annealing treatment of thermal oxidation of different temperature, under the same circumstances of high鄄purity nitrogen annealing and BOE corrosion post鄄 processing,by the means of the SEM(scanning electron microscope),AFM(atomic force microscope)and transmission spectrum power method. It turned out that the sidewall roughness of the waveguide changes along with the annealing temperature in a quadratic approximation parabolic trend and reaches the lowest value 2. 1 nm around 900 益 where the corresponding radius is 15滋m and the circular waveguide bending loss is(0. 010 9依0. 001 0)dB / turn,which shows loss value and the theoretical analysis results are consistent. To realize efficient transmission of light energy,we can choose different optimization disposal conditions to reduce the circular waveguide bending loss by taking advantage of this conclusion. Key words:silicon鄄on鄄insulator;nanophotonic waveguide;MEMS;roughness;bend loss EEACC:7230摇 摇 摇 摇 doi:10. 3969 / j. issn. 1004-1699. 2012. 011. 006
弯曲波导研究进展及其应用
目前，在集成光学中制备器件所用材料有不 同的体系，主要有 ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）［９］、ＩｎＰ ［１０］、ＳｉＯ２［１１］、聚合物［１２］等。这些 材 料 各 具 特 色， 制备的器件各具优势。基于 ＩｎＰ材料的集成光学 器件，具有折射率差值大，器件尺寸小、易实现有 源器件和无源器件的集成的优势，但是由于其波 导侧壁损耗比较大并且晶圆成本较高不利于大规 模制备；基于 ＳｉＯ２的集成光学器件，具有传输损 耗小，和光纤模式匹配好的优点，但是其与空气折 射率差较小不利于制备弯曲波导，并且不能用于 制 备 有 源 器 件，限 制 了 其 在 光 学 集 成 中 的 发 展。 基于聚合物的集成光学器件，具有低损耗、双折射 率小、色散小、高热光系数等优点，但是其易老化 不利于集成光学器件的稳定性。
收稿日期：２０１６１０１２；修订日期：２０１６１１１４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６１２３４００４，Ｎｏ．１１４０４３２７，Ｎｏ．６１３０６０８６，Ｎｏ．１１４０４３２７）；国家科技重大
专项资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１４ＺＸ０４００１１５１）；吉 林 省 科 技 发 展 计 划 资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１５０２０３００７ＧＸ，Ｎｏ． ２０１４０１０１１７２ＪＣ，Ｎｏ．２０１４０５２０１３２ＪＨ）；长春市重大科技攻关计划资助项目（Ｎｏ．１４ＫＧ００６）；长春市科技局 计划资助项目（Ｎｏ．１５ＳＳ０２） ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．６１２３４００４，Ｎｏ．１１４０４３２７，Ｎｏ．６１３０６０８６，Ｎｏ． １１４０４３２７）；ＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１４ＺＸ０４００１１５１）；ＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｌａｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１５０２０３００７ＧＸ，Ｎｏ．２０１４０１０１１７２ＪＣ，Ｎｏ． ２０１４０５２０１３２ＪＨ）；ＣｈａｎｇｃｈｕｎＣｉｔｙＭａｊｏｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．１４ＫＧ００６）；ＣｈａｎｇｃｈｕｎＳｃｉ ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｕｒｅａｕＰｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．１５ＳＳ０２）
异质微环谐振腔双稳态及全光存储器应用
异质微环谐振腔双稳态及全光存储器应用作者：王婷沈微宏 SCHOENHARDT Steffen 张启明来源：《光学仪器》2024年第02期摘要：提出了一种基于异质集成波导的微环谐振腔，对其双稳态现象进行了研究分析，并将其应用于全光存储功能的实现。
异质集成波导具有超高的克尔非线性效应，不受热光效应和载流子响应的限制，在超快克尔非线性效应的支持下，该结构具有快速全光切换的能力。
设计了一个高品质因子 Q =77565的微环谐振腔，用耦合模式理论模拟了其双稳态现象。
在峰值功率为474fJ，宽度为20ps 的脉冲激励下，该微环谐振腔很好地实现了全光存储功能，并通过波分复用的串联微环结构展示了波长可寻址的四位光存储器。
研究了基于超高克尔非线性效应的双稳态现象，为实现超快切换速度提供了可能性，在光存储、光开关、人工智能研究等方面具有一定的参考价值。
关键词：微环谐振腔；双稳态；克尔非线性效应；光存储中图分类号：O436.4文献标志码：ABistability in hybrid micro-ring resonator for all-optical memoryWANG Ting1，2，SHEN Weihong1，SCHOENHARDT Steffen1，ZHANG Qiming1（1. Institute of Photonic Chips， University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093， China;2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai200093， China）Abstract： In this paper， we propose a heterogeneous integrated waveguide platform. The bistable behavior of a micro-ring resonator is observed and analyzed， and the implementation of all-optical memory is shown. The proposed heterogeneous integrated waveguide has strong Kerr nonlinear effect， without the restrictions on thermo-optical effect and free-carrier lifetime. Pure Kerr nonlinear effect enables the ultra-fast all-optical switching. We designed a micro-ring resonator with high quality factor Q =77565. The bistable behavior was simulated based on coupled mode theory （CMT）， and an all-optical memory was realized under the pulse excitation with peak powerof474fJ and pulse width of20ps. Besides， we demonstrated the wavelength addressable four-bit optical memory using four micro-ring resonators cascaded by wavelength division multiplexing. This paper investigates the bistability based on high Kerr nonlinear effect， which provides the possibility of achieving ultra-fast all-optical switching， and shows certain research significance on optical storage， optical switching， and artificial intelligence.Keywords： micro-ring resonator；bistability；Kerr nonlinear effect；optical memory引言光學双稳态广泛应用于光学开关、光学逻辑门、光学存储等方面，是集成光子学持续关注的一个话题。
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SOI纳米波导的优化制备与弯曲损耗测试臧俊斌;薛晨阳;韦丽萍;王景雪;崔丹凤;王永华;仝晓刚【摘要】主要针对目前SOI(Silicon-on-insulator)纳米光波导结构弯曲损耗严重的问题,系统地进行了理论仿真分析,设计出最佳的纳米波导结构,并采用MEMS工艺对其进行加工制备与优化处理.后利用了SEM(扫描电子显微镜)、AFM(原子力显微镜)、透射谱功率法等研究手段精确测试了在高纯氮退火和BOE腐蚀后处理不变的情况下,不同温度热氧化退火处理下的波导侧壁粗糙度和对应的弯曲损耗,结果表明:波导的侧壁粗糙度随退火温度的变化近似呈二次抛物线变化趋势,在900℃附近达到最低值2.1 nm,对应的半径15 μm的环形波导的弯曲损耗为(0.0109+0.001) dB/turn,其损耗值与理论分析结果一致.利用这一结论就可以通过选择不同的优化处理条件来减小环形波导的弯曲损耗,从而实现光能量的高效传输.%The paper mainly aimed at a serious bending loss problem of SOI nano-waveguide structure, conducted a theoretical simulation analysis systematically, schemed out the best nano-waveguide structure, and made use of the MEMS technology on the fabrication and processing of optimization. Then this work made a precise testing of the roughness of waveguide sidewall and the corresponding bending loss after annealing treatment of thermal oxidation of different temperature, under the same circumstances of high-purity nitrogen annealing and BOE corrosion postprocessing , by the means of the SEM (scanning electron microscope ) , AFM ( atomic force microscope ) and transmission spectrum power method. It turned out that the sidewall roughness of the waveguide changes along with the annealing temperature in a quadratic approximation parabolic trend and reaches thelowest value 2. 1 nm around 900 X. Where the corresponding radius is15μm and the circular waveguide bending loss is(0.010 9±0.0010)dB/turn,which shows loss value and the theoretical analysis results are consistent. To realize efficient transmission of light energy,we can choose different optimization disposal conditions to reduce the circular waveguide bending loss by taking advantage of this conclusion.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2012(025)011【总页数】5页(P1498-1502)【关键词】SOI;纳米光波导;MEMS;粗糙度;弯曲损耗【作者】臧俊斌;薛晨阳;韦丽萍;王景雪;崔丹凤;王永华;仝晓刚【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN256随着集成光学的迅猛发展，基于硅基光网络传输的微电子芯片突破了传统微处理器内部互联中带宽和能量的限制，成为未来光通信和光计算的主要发展方向。
光波导作为集成光学的主要部件，在与激光器、调制器、放大器等光电器件［1－2］的光互联和光传输中起着至关重要的作用。
由于光电子芯片发展的微型化和集成化促使光波导器件也必须朝着高集成度、微小型化的方向发展，所以实现光波导器件中的弯曲是必须的。
波导的弯曲势必会产生弯曲损耗，如何实现并制备出超低弯曲损耗的纳米波导结构，成为人们广泛研究的热点。
高品质的硅基 SOI(Silicon-on-insulator)材料，由于其高的折射率差、通信波段的透明传输以及制作工艺与CMOS工艺完全兼容等优点成为研制纳米光波导的首选。
但目前采用SOI材料直接刻蚀制备得到的波导结构其侧壁非常粗糙以至于损耗特别严重［3－5］，所以国外针对这一问题提出了采用H2退火处理来降低波导的侧壁粗糙度［6］。
而国内由于工艺水平受限，只能试探性采用可替代的处理工艺来完成。
因此，本文主要阐述了SOI纳米光波导的设计与制备，并结合国内MEMS工艺的可行性对纳米光波导的表面优化处理进行了研究，最后采用透射谱法对制备出的波导进行弯曲损耗测试。
测试结果表明，优化处理后的环形波导的弯曲损耗提高了2倍。
1 光波导的设计与制备1.1 光波导结构设计为实现光波导超低损耗的光能量传输，必须要保证波导传输的单模性和高光场局域性［7－8］。
因此需要对波导的整体结构进行理论分析，设计出最优的波导结构。
本文采用Optiwave-FDTD和Rsoft对SOI硅基纳米光波导结构的单模性和高光场局域性进行了理论仿真分析。
当输入光波长为1.55 μm时，波导厚度为0.03 μm、0.15 μm、0.22 μm、0.27 μm 和0.273 μm 的 TE模态光场分布图如图1所示。
由仿真结果可以看出，当波导层厚度小于0.03μm时，光场局域性很弱，光能量几乎全部外泄；当波导层厚度大于0.273 μm时，光场会出现0阶和1阶的双模态性，致使波导不再是单模态传输；当波导层厚度处于0.03 μm到0.273 μm时，波导为单模传输。
但由于工艺条件的限制，几十纳米厚度的光波导结构很难在制备中得到控制；再结合波导模有效折射率的变化关系图(如图 2 所示)，波导厚度在 0.2 μm ～0.23 μm时，有效模折射率达到最大敏感值，因此我们选定波导层的厚度为0.22 μm。
图1 不同波导层厚度对应的光场分布图图2 有效模折射率随波导层厚度变化关系图采用FDTD仿真分析得到了波导单模态传输特性下的最佳波导层厚度。
图3为波导层厚度为0.22 μm、入射波长为1.55 μm 时，采用 Rsoft仿真分析得到的TE模态下不同波导宽度对应的高光场局域能力图。
由图可以清晰看出当波导宽度为0.45 μm时，中心红色区域最亮、最集中，及光场的局域性最好。
基于以上仿真分析结果，确定了SOI硅基光波导的结构如图4所示(波导厚度h=0.22 μm，宽度d=0.45 μm)。
图3 不同波导宽度对应的波导截面局光强度分布图图4 SOI硅基光波导结构截面图1.2 光波导制备本文主要采用电子束光刻(Electron Beam Lithography)、ICP刻蚀、高温退火、BOE湿法腐蚀等工艺对图4所示的光波导结构进行制备加工与优化［9－10］，其整个制备过程示于图 5。
图5 光波导的制备和后处理流程制备中采用的电子束光刻机为直写式JBX5500ZA，其制作的线条精度低于10nm；所用的ICP深硅刻蚀机为STS HRM，ICP刻蚀技术由于结合了化学、物理刻蚀方法的优点，不但可以获得好的刻蚀方向性和选择性，而且其刻蚀速度也得到了很大提高，使得最终制备的波导陡直度将达(89±1)°。
此外，我们还进行了后期的表面结构优化处理，主要步骤为300℃到1 200℃热氧化退火、BOE湿法腐蚀以及1 000℃高温N2退火等。
其中图6所示为885℃热氧化退火、BOE湿法腐蚀和1 000℃高温N2退火后的SEM图。
图6 处理后的环形波导SEM图(插图为侧壁SEM)2 实验测试分析基于§1.2中制备的纳米波导结构，采用Dimension3100原子力显微镜对波导的表面粗糙度进行测试，其垂直方向的最小测试范围小于0.05 nm。
此外，由于透射谱测试法适用于纳米级尺寸光波导的损耗测试，且对环形波导谐振腔的测试误差较小［11］，所以本文拟采用透射谱测试法对光波导的弯曲损耗进行测试。
考虑到实际中对波导侧壁粗糙度进行测试的可行性，制备中采用未完全刻蚀的等效方法，用200 nm刻蚀深处的表面粗糙度来近视估测侧壁的粗糙度。
Dimension3100的AFM测试结果如图7所示，由图可以看出波导的侧壁陡直度达89°(与理论值基本一致)。
同理，由AFM测试得到了在不同热氧化退火温度下，经过BOE腐蚀和高温N2退火处理后对应的表面粗糙度实验值Ra，由Ra拟合得到的对应曲线示于图8。
图7 纳米波导结构的AFM测试图图8 BOE腐蚀和高温N2退火后处理相同时Ra随热氧化退火温度变化曲线图由图8可见，随着热氧化退火温度的增大，光波导的侧壁粗糙度Ra值在600℃以内基本保持不变，超过600℃后Ra值会先减小后又急剧增大，当退火温度处于900℃左右时Ra值达到最小。
这是因为当温度低于600℃以下时，光波导表面未被氧化为SiO2，以至于后续的BOE腐蚀以及高温N2退火对其基本没有影响；而当温度处于600℃到900℃之间时，表面部分被氧化了，再加上BOE腐蚀和高温N2退火后最大化了表面晶粒尺寸使得表面粗糙度得以降低；但是当退火超过1 000℃后，由于波导基本被完全氧化为SiO2，致使波导发生形变以至于表面粗糙度又急剧增大。
由此，结合我们实际的波导结构和AFM的测试结果，采用透射功率法对弯曲损耗进行精确测定。
其弯曲损耗计算可由下式得出:上式中，是环形波导每周的功率损耗百分比，δλd是透射谱线的半高宽，rt是谐振峰对应的最低功率值，FSR是自由频谱宽度，以上各参量都可以在谐振透射谱线中得出。