平面集成光波导器件综述
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
集成光波导
Pin/2
23
Multiport splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:
1 x 8 Coupler
24
4.6.2 有源器件
▪ 有源器件按其功能可分为两类：
21
For the ideal coupler, the coupling to port 4 (the isolated port) is zero. Thus,
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
22
An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:
图4.5 对称平板波导的
模
式
图
1
4.5.1 波导色散
▪ 随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展
宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色 散会同时存在。
图4.5 对称平板波 导的模式图 (n1=3.6,n2=3.5 5)
2
4.5.1 波导色散
▪ 由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲
图4.24 电光开关
26
As in the passive coupler, the power distribution is given by:
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L is the interaction length and Lc is the coupling length.
集成光波导
集成光波导型(AWG )以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。
目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。
它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。
如图3.2.2所示。
（1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。
②．高隔离度 ③．易大批量生产。
因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。
(2)．AWG 的缺点插入衰耗较大，一般为6~11dB 。
带内的响应度不够平坦。
4．光栅型光栅型波分复用器件属于角色散器件。
当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。
（1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率3.2.2图：AWG 波分复用器件其通道间隔可以达到30GH Z以下。
②．高隔离度其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。
③．插入衰耗低大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。
④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。
因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。
正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。
（2）．光栅型波分复用器件的缺点①．温度特性欠佳其温度系数约为14pm /°C。
因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。
②．制造工艺复杂，价格较贵。
5．光纤布喇格光栅型（FBG）利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2. 平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
光集成(PIC)技术概述
光子集成技术概论摘要：本文以光子学为基础，详细介绍了光子技术和光子集成的概念、主要应用领域、目前的研究热点及以光波导集成为基础的光子集成器件的研究进展。
关键词：光子光子晶体光子技术光子集成光波导光子集成（Photonic Integrated Circuit，PIC），也叫光子集成电路。
以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。
如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。
一、光子集成（PIC）的理论基础光子集成技术的理论基础是光子学。
当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子。
光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。
目前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：激光技术和、光子计算机、光存储技术、光通信和全息光技术等。
与电子学器件相比，光子学器件中光子的运用不受回路分布延迟的影响（一般为10-9s），光在固体中传输速度为10-12cm/s左右，光子学器件的时间响应和容量要比电子学器件高得多。
目前实验室已能获得十几个飞秒的光子脉冲。
光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。
光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，光子学与光子技术使光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤则可以同时传送1千多万甚至1亿路电话。
目前已完成了从第一代0.85μm波段与多模光纤，到第二代1.3μm波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。
利用光子学方式可以实现三维立体存储。
光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。
光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。
集成光学器件
一、光纤陀螺用集成光学芯片（Y波导调制器）1.1 芯片结构：1.2 工作原理：光纤陀螺用Y波导集成光学器件在光纤陀螺系统中作信号处理用，经光源发出的光由器件的Y分支波导分成两束光，分别沿顺时针和逆时针方向通过光纤线圈后，又由Y分支波导合束为一束光，最后达光电探测器。
当线圈静止不动时，两束光到达Y 分支合束器时的光相位相等，当线圈转动时，两束光之间将产生一个与线圈转速成比例的相位差，即塞格纳克效应。
在推挽电极上上施加调制电压，利用衬底材料的电光效应改变光波导的折射率，从而改变两束光在光波导中传播的光程，引入一个相位差，补偿效应，于是通过外加调制信号可以检测相位差，从而检测光纤线圈的转速。
1.3 应用领域：用于飞机、轮船、导弹、汽车等运动物体姿态控制的光纤陀螺系统中；电流传感系统中，利用法拉第效应测量通过光纤环路的电流大小。
1.5 产品实物图与外形尺寸：1.6 使用方法与注意事项a 该器件工作于单偏振状态，入光的偏振态必须与器件保持一致。
b为了防止器件的电损伤，调制器的电极电压应低于30V。
c 注意事项d 光纤施力过大易断裂,不宜拉扯,扭折,弯曲半径不得小于30mm。
e 管壳与光纤间不允许施加过大应力。
使用时,应同时拿起管壳与光纤,切勿使管壳与光纤交接处发生弯曲,以防光纤断裂影响器件性能。
f 存储器件环境湿度低于50%,且不含有对器件有害的材料。
g 应避免使器件承受强烈的热冲击,避免使器件受热不均匀。
h 光纤连接回路的连接处应避免施加应力。
1.7 发展方向：进一步降低损耗（≤4dB（典型值3.5dB），拓宽工作温度到-65︒C~+85︒C，提高批量化生产能力达5000只／年。
提高集成度：在同一芯片上整理多个Y波导调制器。
1.8 特点：低损耗、低电压、单偏振、宽工作温度范围、高稳定性。
二、光通信用集成光学强度调制器2.1 芯片结构：2.2工作原理：集成光学强度调制器在LiNbO3衬底上利用质子交换与退火工艺制备“M-Z”干涉型光波导，然后在“M-Z”光波导的分支两臂上制备行波调电调极，采用稳定可靠的耦合技术将光波导和光纤耦合而成。
平板光波导综述
1.普通介质平板光波导 2.表面等离子体平板波导
1
光纤是一种很常见的介质光波导，其截面为圆形 ，但在集成光学中，人们更感兴趣的是在芯片上 集成平面光波导
图1.1 平板波导结构示意图 （由 覆盖层，导波层，衬底组成）
图1.2 条形波导结构示意图
2
平板波导由三层介质组成，中间层介质折射率最 大，称为导波层。上下两层折射率较低，分别称 为覆盖层和衬底层。 当衬底层和覆盖层材料折射率相等时，称其为对 称平板波导。
x
类似的，亥姆赫兹方程组的试探解可以写为：
A c e p ( x a ) , x a
E y A f cos(hx ),a x a
p 2 2 k02 nc2 q 2 2 k02 ns2
2 h 2 k02 n 2 f
As e
由于亥姆赫兹方程和薛定谔方程具有相同的形式，先回顾一维对称 有限深势阱中电子的波函数:
对于有限深势阱的方程，其解不容易求出，但是其试探解的形式则相 对简单。 x
( x ) Ae ( x 0) ( x) C cos(kx) / D sin(kx)(0 x a)
12
( x) Be ( x a)
H y ( x)
H y , Ez 分量连续 然后，根据边界条件，x=a,-a处，
n2 f q tan(ha ) 2 ns h n2 f p tan(ha ) 2 nc h
n2 n2 f q f p 2ha m arctan( 2 ) arctan( 2 ) ns h nc h 这就是TM模的特征方程
H y ( x)
A sinh(k1 x),| x | a A sinh(k1a )e k 2 ( x a ) , x a
光集成(PIC)技术概述
光子集成技术概论摘要：本文以光子学为基础，详细介绍了光子技术和光子集成的概念、主要应用领域、目前的研究热点及以光波导集成为基础的光子集成器件的研究进展。
关键词：光子光子晶体光子技术光子集成光波导光子集成（Photonic Integrated Circuit，PIC），也叫光子集成电路。
以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。
如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。
一、光子集成（PIC）的理论基础光子集成技术的理论基础是光子学。
当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子。
光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。
目前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：激光技术和、光子计算机、光存储技术、光通信和全息光技术等。
与电子学器件相比，光子学器件中光子的运用不受回路分布延迟的影响（一般为10-9s），光在固体中传输速度为10-12cm/s左右，光子学器件的时间响应和容量要比电子学器件高得多。
目前实验室已能获得十几个飞秒的光子脉冲。
光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。
光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，光子学与光子技术使光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤则可以同时传送1千多万甚至1亿路电话。
目前已完成了从第一代0.85μm波段与多模光纤，到第二代1.3μm波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。
利用光子学方式可以实现三维立体存储。
光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。
光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。
平面光波导原理(理论)
平面光波导分路器工作原理简介The operating principle of PlanarLightwave Circuit (PLC) splitter专业2009-12-27 10:55:40 阅读10 评论1 字号：大中小订阅分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(Passive Optical Network, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面：1.作为下行光信号(1490nm和1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如Gerd Keiser的《FTTX Concepts and Applications》)。
这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。
目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fused Biconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。
同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。
无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1 x 2基本结构的级联而成。
FBT的1 x 2结构是一耦合器，而PLC的是一Y分支结构。
这个看似简单的Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。
如何设计一个性能优异的Y分支结构属于技术机密(Classified technology)，这里不便讨论。
这里仅就基于平面光波导技术的一个Y分支结构的分路器，即1 x 2分路器的工作原理作一简介。
其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1 x 2分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是3 dB。
1 x 2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。
中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，图1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及图1(d)的模斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2.平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
平面光波导芯片作用
平面光波导芯片作用随着信息技术的发展，光通信作为一种高速、高带宽、低损耗、低干扰的通信方式，越来越受到人们的关注。
而平面光波导芯片作为光通信系统中的重要组成部分，其作用不可忽视。
本文将从平面光波导芯片的定义、工作原理、应用领域等多个方面进行探讨。
一、平面光波导芯片的定义平面光波导芯片是一种基于硅基材料制备的微型光学器件，它能够将光信号引导在芯片表面上进行传输。
平面光波导芯片的结构一般包括波导层、偏振分束器、耦合器、反射器等多个部分，其中波导层是最关键的组成部分。
波导层是由高折射率材料与低折射率材料交替叠加而成的。
在波导层中，高折射率材料通常采用硅材料，而低折射率材料则采用氧化硅等材料。
这种叠加结构能够形成一条光学路径，使得光信号能够在芯片表面上进行传输。
二、平面光波导芯片的工作原理平面光波导芯片的工作原理基于波导的传输特性。
波导传输是利用介质的反射和折射作用来实现光信号的传输。
当光线进入波导时，由于波导中的折射率大于周围介质的折射率，光线会被波导所限制，只能沿着波导的路径进行传输。
平面光波导芯片的波导路径是通过硅和氧化硅等材料的叠加形成的。
当光线进入波导层时，由于硅的折射率高于氧化硅的折射率，光线会被硅所限制，只能沿着波导路径进行传输。
平面光波导芯片的偏振分束器、耦合器、反射器等部分能够实现不同功能，从而使得光信号能够在芯片表面上进行传输、分配、合并等操作。
例如，偏振分束器能够将不同偏振方向的光信号分离出来，耦合器能够将不同波导中的光信号进行耦合，反射器能够将光信号反射回原来的路径中。
三、平面光波导芯片的应用领域平面光波导芯片作为一种微型光学器件，具有体积小、重量轻、低功耗等优点，因此在光通信、生物传感、光学计算等领域有着广泛的应用。
1、光通信领域在光通信领域中，平面光波导芯片可以用于制作光开关、光路选择器、光调制器等器件。
这些器件可以实现光信号的切换、调制、放大等操作，从而满足高速、高带宽的光通信系统的需求。
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。
PLC平面集成波导工艺及设备
平面集成光路Planar Lightwave Circuit / Planar Integrated Circuit工艺简介PLC工艺概述(a)-(e)硅基波导制作工艺流程图。
(a)PECVD长膜(b)光刻(c)显影(d)ICP刻蚀(e)长上包层。
一些常见的平面集成光通信器件工艺流程简介一．薄膜沉积以氧化硅（Silica）为基础的光波导器件为例，下包层（buffer）、芯层（core）以及上包层（cladding）一般由SiO2、Ge－SiO2以及SiO2（可掺B，P以进一步减小损耗消除应力双折射）构成。
薄膜的生长常用的办法之一即为等离子体化学气相沉积（PECVD）。
此外，通常需要对沉积所得的薄膜进行高温退火以消除氢键，使之达到与热氧化薄膜同等的光学特性（低损耗）。
所需设备：PECVD退火炉二．光刻通过光刻把掩膜（mask ）或设计好的图形文件（用于电子束光刻）转移到光刻胶上。
对于某些需要深刻蚀的场合，光刻胶的选择比如果不足，需要进一步加上更坚固的掩膜（hard mask ），比如金属等。
此时需要电子束蒸发台或溅射系统等设备。
所需设备：光刻机（或电子束光刻）金属蒸发台（或溅射）Ebeam Lithography SystemKTH Albanova Nano-Fab-Lab三．图形转移光刻之后还需要通过干法刻蚀（常用的如ICP）把设计的图形最终转移到器件材料（SiO2）上。
所需设备：ICP四．上包层沉积刻蚀后的样品需要先去除残余光刻胶，可使用氧气等离子体刻蚀系统。
上包层同样可使用PECVD生长。
所需设备：O2 PlasmaPECVD五．性能测试性能测试主要分两部分：对生长薄膜的测定和对最终芯片频谱相应的测试。
对PECVD沉积的薄膜需要测量其生长速率（厚度）、折射率和损耗，对芯片需测量其不同偏振状态下的频谱特性。
所需设备：椭偏仪棱镜耦合仪台阶仪干涉测量仪可调激光器光谱分析仪Summary of the equipments mentioned above1. Lithography:a.mask aligner：Karl Suss mask aligner 200万b.e-beam lithography：Raith E-line system 1000万c.DUV：ASML PAS5500/750 stepper/scanner >1000万 (optional)2. Deposition:等离子体化学气相沉积PECVD: STS 400万电子束蒸发台ebeam evaporator: 200万3. Pattern transfer反应离子刻蚀ICP-RIE: STS Advanced Oxide Etcher 600万4. Other facilities: 600万匀胶机：湿式工作台（Wet bench）：氧气等离子体（O2 Plasma）去胶设备：退火炉：尾气处理设备：去离子水制备系统：椭偏仪：棱镜耦合仪：台阶仪：干涉测量仪：可调激光器：光谱分析仪：气体、气柜及危险气体监控系统：芯片光学性能测量所需各种光学元件：Total: 3000万。
《集成光波导》课件
测试设备
插入损耗
指集成光波导传输过程中产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
带宽
指集成光波导传输光谱的范围，是衡量光波导传输性能的重要指标。
偏振相关损耗
指集成光波导对不同偏振态光波的损耗差异，是评估光波导性能的重要参数。
弯曲损耗
指集成光波导弯曲时产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
将未反应的光敏材料去除，留下光波导结构。
硬化
使光波导结构更加稳定和坚固。
检测
对制造完成的光波导进行检测，确保其性能符合要求。
04
CHAPTER
集成光波导的性能测试与评估
包括光谱分析仪、光功率计、光波长计等，用于测量集成光波导的传输光谱、功率和波长等参数。
采用透射或反射方式，对集成光波导进行测试，获取其传输性能数据。
集成光波导是一种特殊的光波导结构，它可以将光波限制在微小的空间范围内，实现光波的传输和控制。与传统的光纤相比，集成光波导具有更高的集成度，更低的传输损耗，并且可以与微电子器件实现无缝集成。这些特点使得集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用。
集成光波导是一种将光波导集成在硅基材料上的微型光学器件。
通过在硅基材料上刻蚀出特定的形状和结构，可以形成具有特定功能的光波导器件，如光调制器、光开关、光滤波器等。
通过优化设计，可以提高集成光波导的传输效率、减小损耗、提高器件的稳定性和可靠性。
常用的设计方法包括物理光学法、传输矩阵法、有限元法等，可以根据具体需求选择合适的设计方法。
《集成光波导》ppt课件
目录
集成光波导概述集成光波导的基本原理集成光波导的制造工艺集成光波导的性能测试与评估集成光波导的应用案例集成光波导的未来展望与挑战
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
平面光波导与阵列光纤耦合分析_郑煜
光波导平面
导模(TE)本征解
• 覆盖层：x>0 Ey=Aexp(-W0x/d) • 芯区： -d<x<0 Ey=Acos(Ux/d)+Bsin(Ux/d) • 衬底： x<-d Ey= (AcosU-BsinU)exp[(W2(x+d)/d] • 纵向：Hz=(j/wm0)dEy/dx)
本征值方程
• 边界条件：TE模式: Ey,Hz在上下界面连续； TM模式: Hy,Ez在上下界面连续。 • 本征值方程：
* j m z dBm / dz = jw (P E m e ) dxdy
§3-3 耦合波方程及耦合系数
• 耦合波方程式：
dAm dz dBm dz = j A ( Km Km )e
t z
j ( m ) z
B ( Km Km )e
fTE = 2tg 1
n k , 2 2 n1 k0
2 2 2 j 0 2
fTM = 2tg 1
2 n1 2 n 2 k j 0 n n2k 2 2 j 1 0
4
光程相移
x n0 n1 D fD=n1k0(CD-AB) n2
C 0 q A
• 光线轨迹：锯齿形折线 • 约束光线条件：
– 上界面全反射：q10qc10=arcsin(n0/n1) – 下界面全反射：q12qc12=arcsin(n2/n1) – 相位匹配：上下两次反射经历相移为2p整数倍
• 附加相移： Df=fD-f12-f10
– 光程相移： fD=2n1k0dcosq – 全反射相移：f12, f10
W2 2p
V
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平面集成光波导器件综述
1 引言】
光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。
1969年ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。
平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。
历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。
【2 制作器件的主要材料】
制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。
表1
给出这几种材料的基本特性。
InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。
以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。
Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。
聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。
SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。
同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。
SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。
【3 二氧化硅波导基本工艺】
有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。
其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。
CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。
PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。
RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。
薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。
薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知，
折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。
【4 二氧化硅光波导器件】
4.1 SiO2 PLC的基本单元
平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。
直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。
间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。
耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。
相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。
应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发
生变化，从而调节器件的性能。
4.2几种典型的PLC器件
（1）光功率分配器件
由上述的直条波导的Y形分支集成在一起可以构成1×N的光功率分配器（N＝2，4，8，16，32）这是PLC中最基本的器件。
例如波导构成1×8的分配器，最大插入损耗为10.3dB，8路输出的均匀性优于1.0dB。
偏振相关损耗小于0.3dB。
工作波长在1.26～1.6祄。
多路数的光功率分配器将大量应用在光接入
网和CATV。
光集成的功率分配器性能优良，且体积很小，实际应用中受到欢迎。
（2）Mach-Zehnder干涉仪（MZ干涉仪）
最简单的MZ干涉仪由两个3dB耦合器通过两条波导相连构成。
两波导有确定的长度差芁。
通常用MZ 干涉仪来实现1.31/1.55祄WDM和波长无关耦合器(WIC)。
利用光刻和RIE技术可以使得芁达到亚祄的精度，从而提高干涉仪的技术指标。
为了提高隔离度，通过波导间隙在输出端口可装上微形滤波片。
1.3/1.55祄WDM的隔离度大于45dB，插入损耗小于1.3dB。
这种WDM是单纤双向收发信机中的重要部分。
WIC 在宽的波长范围内（1.25～1.56祄），两输出端的功率比与波长无关。
这种功能器件可用于测试系统；与Y分支结合可形成2×N的功率分配器，其每路插入损耗与1×N器件相近。
两个输入端口扩大了应用范
围。
（3）热光开关（TO Switch）
这种器件利用SiO2的热光效应制成。
最简单的2×2开关结构与MZ干涉仪相近，所不同的是，连结两个3dB耦合器的波道臂上具有热光相移单元，因此干涉特性是外界可调的，当输出耦合比从1∶0变为0∶1时，即实现了光在两输出端的转换。
PIRI公司（美国）生产的2×2单模热光开关的隔离度大于15dB，速度快于2ms，插损低于1.5dB。
多级串连可显著提高隔离度，但加大了器件尺寸和插入损耗。
例如NEL 公司（日本）的8×8开关阵的隔离度大于40dB，插入损耗近10dB。
（4）阵列波导光栅（AWG）DWDM
AWG波导芯片由N个输入条形波导、N个输出条形波导、两个片状波导（一个输入，一个输出）和一个阵列波导光栅所构成，阵列波导光栅中有数百条光波导。
片状波导周围的条状波导的位置是基于凹面反射式衍射单色仪的原理确定的。
阵列波导中相邻的波导条的长度差是相同的，产生一致的光波位相差。
波导间隙中插入半波片用来提高偏振无关特性。
AWG已有系列化的产品，具有不同的波长间隔，不同的通道数，满足ITU标准。
例如NEL公司0.8nm波长间距、32通道数的AWG，串扰小于-28dB，插损为4.5dB，温度灵敏度为0.011nm/℃。
AWG封装采用温度自控，以提高温度稳定性。
封装尺寸为100×56×16mm。
集成的M×N AWG波分复用器是波分复用光传输系统中的有效器件。
（5）混合光集成PLC平台
目前最著名的混合光集成器件是单纤双向收发机。
在硅衬底上制备SiO2波导1.3/1.55祄WDM，同时用RIE刻出LD和PD的位置。
为了提高耦合效率，采用光斑尺寸变换激光器和波导光二极管探测器。
这种单纤双向收发机的规模化生产可显著降低其价格，使得FTTH成为现实。
NEL生产的这种收发机采用塑料外封装。
出纤功率为-3dBm，跟踪误差0.5dB，响应灵敏度0.35A/W。
二氧化硅光波导技术还在不断的发展中。
如掺铒波导、超低损耗波导、非线性特性、耦合封装工艺简化等等。
随着技术不断改进，器件的尺寸将会更小，功能更密集。