(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
பைடு நூலகம்
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子 总数不超过X个。
0.5um
排气除尘
高效过滤
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH
电离栅板
空气流
空气 层
流立式工作台
接地 腕带
在线 电离 件
接地站垫
人员产生的污染
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
热光效应，潜在的电光效应
集成光电子学中的主要制备技 术
横截面
Si SiO2
硅片
波导制作工艺
mask
集成光电子器件制作条件
• 超净室 • 去离子水
经验告诉我们，微粒的大小要小于器件上最小 特征图形尺寸的1/10。（就是说直径为0.03微米的 微粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形。）否则 会造成器件功能的致命伤害。
人类毛发的直径 1 微米
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。
工作区人员也是最大的污染源之一。即使一
个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分
钟也可释放10万到100万个颗粒，当人员移动时，
这个数字还会大幅增加。这些颗粒都是来自脱落
的头发和坏死的皮肤。其他的颗粒源还有象化妆
品、染发剂和暴露的衣服等。下表列出了从不同
操作人员的动
正常呼吸
无微粒
作中产生的污染物的 吸烟后吸烟者的呼吸
红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、… 多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km， 而不需放大。
（7）记录材料
21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事 方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信 息是制胜的关键。
• 无源器件：不对光信号形式产生任何改变， 只改变光传播路径等（光耦合器，光纤光 栅，阵列波导光栅，光滤波器等）
有源器件材料的应用场合
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
光子能量增大方向
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
(1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
加热器：电阻 丝或电子束
溅射Sputtering - 溅射淀积Sputter deposition
利用高能粒子（通常是由电场加速的正 离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子 （原子或分子）逸出的现象
500%
喷嚏
2000%
水平。
安坐
20%
手摩擦脸
200%
步行
200%
用脚跺 地板
5000%
颗粒粘附
所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。
颗粒来源：
✓空气 ✓人体 ✓设备 ✓化学品
超级净化空气
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
工艺用水
在微纳米器件生产的整个过程中，要经过多次 的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过 清水冲洗。由于半导体器件非常容易受到污染， 所以所有工艺用水必须经过处理，达到非常严格 洁净度的要求。
硅片（基底）
1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生
两 化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。
类 主
例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
要 的 淀 积
2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。
方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
式
物理气相淀积 （PVD）
蒸发（Evaporation）
溅射（Sputtering）
淀积金属薄膜
淀积金属、介 质等多种薄膜
蒸发（真空镀膜机）
真空蒸发：在真空中， 把蒸发料(金属)加热， 使其原子或分子获得 真空状态 足够的能量，克服表 面的束缚而蒸发到真 空中成为蒸气，蒸气 分子或原子飞行途中 遇到基片，就淀积在 基片上，形成薄膜
Schrödinger equation:
[21m2 xVE](x)0
V
?
V0
Vwell
E3 E2 E1 x
1-d potential well (particle in a well)
对波导折射率差越大相当 于势阱越深，芯层厚度越 大代表势阱越宽，那么可 以容纳的模数就越多
单模波导最小宽度：
Wc 2 2n n
集成光电子器件的材料
光电子材料包括：
（1） 激光材料（20世纪60年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr3+:Al2O3 )
（2） 非线性光学晶体（变频晶体） KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢
钾） LBO（三硼酸锂）…
（3）红外探测材料（军用为主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
WHY？
脊形光波导
脊形光波导的作用是增 大光斑面积
对大折射率差材料， 如用普通矩形，则 单模波导尺寸很小
为了方便把更多的能量耦合进入芯 层10微米左右直径的光纤里去
渐变折射率波导
这类波导有什么用？
AgNO3
V
Li
Ag
LiNbO3
集成光器件的分类
• 有源器件：用于光信号产生，检测，调制 及放大（半导体激光器，光调制器，光放 大器，光探测器）
在VLSI制造中， 工艺水的目标是 18MΩ。 水中的细菌是通 过紫外线去除。
电阻 (Ohms · cm
25 û C)
18 000 000 15 000 000 10 000 000 1 000 000
100 000 10 000
溶解固体 的容量 (ppm)
0.0277 0.0333 0.0500 0.500 5.00 50.00
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
条形（矩形）波导
nlow nhigh nlow 脊形波导
cladding core
阶跃折射率光纤
铌酸锂 渐变折射率 (GRIN) 光纤
普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的 污染物，主要有：
溶解的矿物 颗粒
菌
溶解氧
二氧化碳 有机物
普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为 离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个 离子都是污染物。
• 通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离 子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子 水在25℃时的电阻是18 000 000Ω·cm，也就 是一般称为18MΩ。图5.19显示了当水中含有大 量不同的溶解物质时的电阻值。
磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁 记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电 阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达 100GB，所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co γ -Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。
磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是 光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属， 如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜 或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介 质。
集成光电子器件标准工艺
• 掩膜制作 • 薄膜沉积 • 光刻技术 • 刻蚀技术
有图像的胶卷 波导结构：空白相纸 将胶卷图案转移到相纸感光胶上 定影:将像固定在相纸，即波导上
整个过程就像一次洗胶卷过程。把设计好的 图形先做成胶卷，然后再在底片上显影
1.掩膜制作（相当于产生一个胶卷底片）
用Auto-CAD等 软件画原始图形
（4）半导体光电子材料，见表2
表2 主要化合物半导体及其用途
领域 微电子
光电子
材
料
GaAs、InP
GaAs
GaAs InP Sb InAs
GaAs
GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止
材料吸收强烈 (as很大)
所激发的载流子寿命短
(粒子的能级越高越不稳定)
集成光电子材料
材料
应用
SiO2
光通信应用的无源器件材料
Si
InP/GaAs/AlGaAS 等三五族 LiNbO3
聚合物(如PMMA)
集成芯片，光通信无源材料，太阳 能电池
GaAs、InP、GaSb
器件 超高速 IC FET LD 红外 LED LEP — — —
用途 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器 热成像仪 红外探测器 太阳能电池
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3F
多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3– Na2O
（8）敏感材料
1. 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。
2. 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA） 等。
集成光电子材料
材料
SiO2 Si
InP LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm 1.45
3.4-3.5
电子束直写
1.掩膜：图形生成
1.掩膜：电子束直写
掩模版制作过程
12. Finished
2.薄膜沉积：制作平面波导
掩膜是一张照了相的胶卷，这层薄膜就相当于一张空白相纸。 后面的光刻过程就是将胶卷图像转移到这张空白相纸的过程
Ge：SiO2（5-6um）：波导芯层n=1.45 SiO2（12-15um）：波导包层n=1.44