高非線性硫系玻璃波導(dǎo)的設(shè)計(jì)、制備以及性能研究.pdf

1、硫系玻璃由于同時具備高的三階非線性(約為石英材料的100～1000倍)、超快非線性響應(yīng)時間、無自由載流子吸收效應(yīng)和小的雙光子吸收系數(shù)、大的線性折射率以及很寬的紅外透過范圍等特性，近年來作為超快全光非線性光子集成器件的理想基質(zhì)材料得到了廣泛的關(guān)注。將其與集成光子學(xué)結(jié)合，形成了一門獨(dú)特的研究領(lǐng)域——“硫系光子學(xué)”。硫系光波導(dǎo)的制備與目前成熟的半導(dǎo)體工藝兼容，可以方便的實(shí)現(xiàn)光電單片集成，是“硫系光子學(xué)”領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。國際上很多知名研究機(jī)

2、構(gòu)在硫系光波導(dǎo)器件的制備及全光應(yīng)用方面做了大量創(chuàng)新性研究工作，制作出高性能的非線性光器件，并將其成功應(yīng)用于超快Tbit/s速率的全光信號再生、波長轉(zhuǎn)換、全光復(fù)用/解復(fù)用、全光模數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯門、超連續(xù)譜產(chǎn)生等領(lǐng)域，目前國內(nèi)在該方面的研究尚屬空白，因此制作低損耗的硫系平面光波導(dǎo)器件在未來的超高速全光通信系統(tǒng)中具有重要意義。
　　本論文利用自制的Ge-Sb-Se無砷環(huán)保型硫系玻璃作為靶材，采用磁控濺射法制備了高質(zhì)量的Ge-Sb-Se硫系

3、薄膜，對其各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測試。在此基礎(chǔ)上，對波導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)光刻和干法刻蝕制備了Ge-Sb-Se光波導(dǎo)，對波導(dǎo)的刻蝕形貌和傳輸損耗進(jìn)行測試，并對波導(dǎo)中的三階非線性效應(yīng)進(jìn)行研究。全文研究內(nèi)容如下：
　　(1)利用傳統(tǒng)的熔融淬冷法制作組分為Ge20Sb15Se65的三元體系大口徑玻璃棒，直接在其上切割圓片作為鍍膜所需的靶材。采用高純氬氣作為濺射工作氣體，通過改變氬氣氣壓和射頻功率等工藝參數(shù)，用磁控濺射法在Si/SiO2襯底

4、上制備了6組Ge-Sb-Se薄膜。采用各種方法測試薄膜的各項(xiàng)性能參數(shù)，以研究工藝條件對薄膜性能的影響。其中薄膜的晶相結(jié)構(gòu)采用X射線衍射法測試，化學(xué)組分采用能譜儀測試、端面和表面形貌采用表面輪廓儀和掃描電鏡測試，折射率、厚度和帶隙等光學(xué)參數(shù)采用光譜反射法測試，薄膜的損耗采用棱鏡耦合法測試。測試結(jié)果表明沉積的6組薄膜都是非晶態(tài)的。其中在優(yōu)化的工藝條件下制備的2組薄膜，其質(zhì)地均勻致密；端面和表面光滑，無明顯孔隙、裂紋和柱狀結(jié)構(gòu)；薄膜損耗約為0

5、.25dB/cm。與玻璃靶材相比，薄膜的結(jié)構(gòu)沒有明顯的變化，其組分和折射率有所偏差但基本一致。
　　(2)從麥克斯韋方程出發(fā)，建立了Ge-Sb-Se波導(dǎo)的本征波動方程，并討論了波導(dǎo)的色散裁剪理論，采用有限差分法計(jì)算波導(dǎo)的模式和色散。選擇2組性能較好的薄膜作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件分別設(shè)計(jì)了兩種深寬比結(jié)構(gòu)的共8組微米尺寸的脊型波導(dǎo)。對波導(dǎo)的有效折射率、色散、模場分布和有效模面積等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究上述參數(shù)與波導(dǎo)尺寸之間的關(guān)

6、系。
　　(3)按照設(shè)計(jì)的波導(dǎo)尺寸，采用與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝兼容的紫外光學(xué)光刻以及電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕工藝分別在厚度為830nm和1360nm的Ge20Sb15Se65薄膜上制備了寬度為1～4μm的脊型光波導(dǎo)。由于大多數(shù)硫系玻璃材料溶于堿性顯影液，本論文采用200nm厚的SU-8作為保護(hù)層以防止硫系薄膜受到顯影液的侵蝕。利用Ⅰ線接觸式光刻機(jī)和涂膠/顯影綜合系統(tǒng)完成涂膠、曝光和顯影等光刻工藝。采用CHF3作為刻蝕氣體使刻蝕過程

7、中保護(hù)和刻蝕同時進(jìn)行，利用其增強(qiáng)的聚合物沉積獲得各向異性的刻蝕和合適的刻蝕速率。研究波導(dǎo)的刻蝕性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝條件完成了波導(dǎo)的制備。測試結(jié)果表明制備的Ge-Sb-Se波導(dǎo)具有垂直的刻蝕剖面，且側(cè)壁和刻蝕表面光滑。
　　(4)對Ge20Sb15Se65波導(dǎo)的耦合損耗和散射損耗進(jìn)行理論分析和數(shù)值仿真，并利用相關(guān)設(shè)備搭建損耗測試平臺，測試波導(dǎo)的插入損耗。由于所制備的波導(dǎo)橫截面積較小，我們利用精密三維耦

8、合平臺和直徑為2.5μm的透鏡光纖進(jìn)行波導(dǎo)的輸入輸出耦合。用截斷法測試了波導(dǎo)的傳輸損耗，其中厚度為830nm的薄膜上制備的脊寬為3μm和4μm的波導(dǎo)，其傳輸損耗分別為0.62dB/cm和0.7dB/cm。采用汞疝燈作為寬帶光源測試了波導(dǎo)的傳輸譜，分析了波導(dǎo)中主要的損耗來源。
　　(5)研究硫系波導(dǎo)中的三階非線性效應(yīng)?；趶V義非線性薛定諤方程建立理論模型，研究光脈沖在Ge-Sb-Se波導(dǎo)中的傳輸特性。利用分步傅里葉法對Ge-Sb-S