高非線性硫系玻璃波導的設計、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)、超快非線性響應時間、無自由載流子吸收效應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注。將其與集成光子學結(jié)合，形成了一門獨特的研究領域——“硫系光子學”。硫系光波導的制備與目前成熟的半導體工藝兼容，可以方便的實現(xiàn)光電單片集成，是“硫系光子學”領域的關鍵技術(shù)之一。國際上很多知名研究機

2、構(gòu)在硫系光波導器件的制備及全光應用方面做了大量創(chuàng)新性研究工作，制作出高性能的非線性光器件，并將其成功應用于超快Tbit/s速率的全光信號再生、波長轉(zhuǎn)換、全光復用/解復用、全光模數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯門、超連續(xù)譜產(chǎn)生等領域，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，對其各項性能參數(shù)進行測試。在此基礎上，對波導進行結(jié)構(gòu)設計，采用傳統(tǒng)光刻和干法刻蝕制備了Ge-Sb-Se光波導，對波導的刻蝕形貌和傳輸損耗進行測試，并對波導中的三階非線性效應進行研究。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波導的本征波動方程，并討論了波導的色散裁剪理論，采用有限差分法計算波導的模式和色散。選擇2組性能較好的薄膜作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件分別設計了兩種深寬比結(jié)構(gòu)的共8組微米尺寸的脊型波導。對波導的有效折射率、色散、模場分布和有效模面積等參數(shù)進行仿真計算，研究上述參數(shù)與波導尺寸之間的關

6、系。
　　(3)按照設計的波導尺寸，采用與標準的半導體工藝兼容的紫外光學光刻以及電感耦合等離子體反應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。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、中保護和刻蝕同時進行，利用其增強的聚合物沉積獲得各向異性的刻蝕和合適的刻蝕速率。研究波導的刻蝕性能與工藝參數(shù)之間的關系和機理，在此基礎上，優(yōu)化工藝條件完成了波導的制備。測試結(jié)果表明制備的Ge-Sb-Se波導具有垂直的刻蝕剖面，且側(cè)壁和刻蝕表面光滑。
　　(4)對Ge20Sb15Se65波導的耦合損耗和散射損耗進行理論分析和數(shù)值仿真，并利用相關設備搭建損耗測試平臺，測試波導的插入損耗。由于所制備的波導橫截面積較小，我們利用精密三維耦

8、合平臺和直徑為2.5μm的透鏡光纖進行波導的輸入輸出耦合。用截斷法測試了波導的傳輸損耗，其中厚度為830nm的薄膜上制備的脊寬為3μm和4μm的波導，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的傳輸譜，分析了波導中主要的損耗來源。
　　(5)研究硫系波導中的三階非線性效應?；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波導中的傳輸特性。利用分步傅里葉法對Ge-Sb-S