光電子學(xué)-第四章11

1、湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，王玲玲2016 年 3 月,,物理與微電子科學(xué)學(xué)院,School of Physics and MicroelectronicsScience,光電子學(xué) 第四章 光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播 第十七講,問(wèn)題一：光纖的損耗有哪幾種?,吸收損耗：

2、 本征吸收損耗，紫外區(qū)吸收，電子躍遷引起； 紅外區(qū)吸收，晶格振動(dòng)及多聲子過(guò)程引起； 過(guò)渡金屬正離子和水氫氧根負(fù)離子； 熔融石英玻璃含水；原子缺陷吸收損耗; 耗散損耗：

3、 線性散射損耗，瑞利散射，米氏散射；

4、 非線性散射損耗；波導(dǎo)散射損耗；彎曲損耗： 彎曲處曲率半徑越小，損耗越大；?越長(zhǎng)，損耗越大；,第十六講要點(diǎn)回顧,問(wèn)題二：什么是光纖的色散？,第十六講要點(diǎn)回顧,問(wèn)題三：光纖的色散有哪幾種？哪些屬于模內(nèi)色散？哪些屬于模間色散？單

5、模光纖與多模光纖分別由什么為主？,?? 引起色散：材料色散，波導(dǎo)色散，模間色散； 模內(nèi)色散：材料色散與波導(dǎo)色散（單模光纖）； 模間色散（多模光纖）。,第十六講要點(diǎn)回顧,問(wèn)題四：材料色散主要由什么決定？,第十六講要點(diǎn)回顧,問(wèn)題五：波導(dǎo)色散主要由什么決定？,波導(dǎo)色散：光纖幾何特性使信號(hào)相位和群速度隨?變引起色散，光纖結(jié)構(gòu)引起，屬模內(nèi)色散；,入射角不同致不同?光波傳輸路程不同引起時(shí)延差致波導(dǎo)色散； 波導(dǎo)色散：與尺寸（線經(jīng)a）有

6、關(guān)； 與?有關(guān)；,a一定，?越長(zhǎng)，波導(dǎo)色散越嚴(yán)重（短?相反），與材料色散相反。,第十六講要點(diǎn)回顧,問(wèn)題六：模間色散主要由什么決定？,第十六講要點(diǎn)回顧,,,光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播,4,,,§4-7 光纖損耗與色散,§4-6 光纖中電磁波模式理論,§4-4 矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念,§4-3 平板波導(dǎo)的電磁理論,§4-2 介質(zhì)平

7、板光波導(dǎo)的射線分析方法,§4-1 光在介質(zhì)分界面上的反射與折射,§4-5 光纖中的射線分析（上、下）,§4-8 光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用,第十五講要點(diǎn),光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器,20世紀(jì)60年代早期光波導(dǎo)現(xiàn)象，理論發(fā)展，裝置問(wèn)世。 但：有些裝置未經(jīng)受t考驗(yàn)，性能差淘汰； 有些局限，或僅應(yīng)用潛在可能。,部分光波導(dǎo)裝置應(yīng)用成功。 領(lǐng)先摻鈦鈮酸鋰（Ti:LiNbO3），適合波導(dǎo)，特大

8、電光和聲光系數(shù)。 商品化大塊基片出售，易加工。,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,介紹波導(dǎo) （1）制造工藝、 （2）裝置結(jié)構(gòu)、 （3）主要性能、 （4）應(yīng) 用。,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,波導(dǎo)范圍廣， 制造技術(shù)

9、各不同。 平板波導(dǎo)（一方向不受限）和通道波導(dǎo)（四周包圍物，矩形，光纖）集成光學(xué)與甚大規(guī)模集成（VLSI）微電子學(xué)類(lèi)似； 目標(biāo)： 同基片制大量小型互聯(lián)裝置，及LED發(fā)光二極管、LD半導(dǎo)體激光器和探測(cè)器；,基片正確定向，拋光和表面凈化，波導(dǎo)材料薄層附加到基片表面。 非晶材料， 直接沉積任何基片上； 結(jié)晶層無(wú)應(yīng)力外延生長(zhǎng)技術(shù)附加到結(jié)晶基質(zhì)上。,兩技術(shù)

10、都派生不同方法，各具優(yōu)點(diǎn)?；|(zhì)表面性質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散 或注入不同類(lèi)物質(zhì)變。 不需部分刻蝕法去除，基片表面發(fā)生，表面部分區(qū)形成一定圖案，光刻技術(shù)。 光刻：材料沉積， 材料去除。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,多光電子裝置基元?m級(jí)，加工超凈間進(jìn)行。

11、 濾除灰塵顆?？諝?，否光刻波導(dǎo)條紋現(xiàn)裂痕； 恒T和濕度，可重復(fù)； 凈室人員穿特制衣服，設(shè)計(jì)使帶進(jìn)房間污染最小。上措施—合格率—可靠性—使用壽命（聯(lián)系）。,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,Si 基鐵電光波導(dǎo)示意圖,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和

12、調(diào)制器 三、干涉濾波器,基片—非晶，玻璃；晶片，機(jī)械電子性能好。 電光裝置：基片絕緣結(jié)晶LiNbO3； 光發(fā)射裝置：InP或GaAS制備。 厚0.5mm，橫向幾cm，結(jié)晶基片原料鋼玉，大塊晶體。 結(jié)晶：氣?液或非?結(jié)晶固態(tài)相變。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二

13、、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,Si 基鐵電光波導(dǎo)示意圖,液體是所需材料化合物高純?nèi)廴谖铮?固體小塊籽晶。液體分子逐層附著表面，每層與前層正確相對(duì)位置。 如：Si片單晶爐提拉生長(zhǎng)。數(shù)十kg電子學(xué)級(jí)Si入熔爐，射頻誘導(dǎo)加熱器或電阻加熱線圈將其熔化。熔爐與熔化Si不反應(yīng)，以免摻雜質(zhì)。 Si石Tm 1412℃，不純物析出。熔爐石墨底座?機(jī)械強(qiáng)度。 熔融在惰性氣體Ar或真空進(jìn)行。,Si 基鐵電光波導(dǎo)示意圖,1

14、. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,GaAs（Tm 1238℃）類(lèi)基片技術(shù)生長(zhǎng)。 區(qū)別：GaAs加熱分解，熔融物上方As蒸汽壓須控制。 BN坩堝，磁場(chǎng)熔融，“磁滯”抑制熱能對(duì)流， 優(yōu)點(diǎn)：?生長(zhǎng)晶體位錯(cuò)數(shù)。 長(zhǎng)晶體，

15、XRD晶軸定向，切片，刻蝕10?m，去除切割和成形晶格缺陷。 表面拋光，得優(yōu)于2?m平面度。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),基片準(zhǔn)備好，制備波導(dǎo)膜。 方法： 沉積和外延生長(zhǎng)。 沉積基片表面1?m厚電介質(zhì)或金屬膜： 真空蒸發(fā)：基片和鍍膜材料置真空罩，后者加熱Tm，熱能使孤立原子逃離熔融物飛往基片，附著表層。 類(lèi)非真空鍍膜：真空鍍膜不同射頻濺鍍法，鍍膜室充N(xiāo)，Ar.,基片,靶,1. 平板波導(dǎo)加工 2.

16、基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,基片在鍍膜材料附近，鍍膜室充P 10-3-10-2乇Ar2；,鍍膜材料陰極（靶）；基片陽(yáng)極（圖7-2）。,交流射頻E（13.56MH）作用，Ar進(jìn)入等離子態(tài)（離子與自由電子混合）。 帶正電荷Ar離子先轟擊陰極靶使

17、 其發(fā)射鍍膜原子—濺射，入射快速 離子與靜態(tài)原子間動(dòng)量交換過(guò)程。 發(fā)射方向隨機(jī)，大量原子 飛向基片附著表面。 濺鍍適合金屬靶。 速率依賴(lài)靶性質(zhì)，波導(dǎo)層較厚， 長(zhǎng)沉積t.,陽(yáng)極 陰極,基片,靶,① 沉 積 ② 外

18、延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,A、化學(xué)汽化沉積（CVD）——非真空鍍膜： 熔爐，一大氣壓熱氣體混合物從基片上方流過(guò)，化學(xué)反應(yīng)，生成需化合物，漸沉積在基片表面； 基片按不同方位放置，取決氣流方向//還是?豎直，與加熱方式有關(guān)

19、。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕

20、6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,圖1 雙梯度法制備ZnCdSSe nm線實(shí)驗(yàn)裝置,圖2 ZnxCd1-xSySe1-y nm線各元素占百分比與處基底位置關(guān)系,靠近放置相應(yīng)反應(yīng)物石英管側(cè)呈較高比例，印證反應(yīng)物濃度梯度對(duì)ZnCdSSe組分影響,基于氣—液—固（VLS）機(jī)制半導(dǎo)體合金nm線化學(xué)氣相沉積（CVD）雙梯度法理論,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制

21、備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,圖3 x, y含量與處基底位置關(guān)系，插圖x, y實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),圖4 與位置相關(guān)ZnxCd1-xSySe1-y nm線禁帶寬度與發(fā)射峰?理論預(yù)期值（黑方塊）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅三角形）對(duì)比；禁帶寬度對(duì)比；發(fā)射峰?對(duì)比。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1.

22、平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,圖5 不同內(nèi)置石英管位置，合金nm線組分x, y與所處基底位置關(guān)系(a) z1=0, z2=20(b) z1=5, z2=15 (c) z1=10, z2=10,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波

23、導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,圖6 不同反應(yīng)物濃度梯度下，ZnCdSSe nm線禁帶寬度,圖7 不同反應(yīng)物濃度梯度及生長(zhǎng)T梯度，汽相過(guò)飽和度對(duì)應(yīng)基底不同位置關(guān)系,裝載反應(yīng)物石英管互靠攏（z1=5mm，z2=15mm），z向過(guò)飽和度呈較大波動(dòng)，基底不同位置nm線

24、不同生長(zhǎng)機(jī)制,隨載有反應(yīng)物石英管靠攏，生長(zhǎng)產(chǎn)物能帶間隙跨度呈逐漸縮小趨勢(shì)。,非晶膜沉積隨機(jī)，無(wú)固定晶態(tài)結(jié)構(gòu)。 Ⅲ-V半導(dǎo)體光電裝置要求膜層分子有序排列，外延法生長(zhǎng)。 外延生長(zhǎng)思想： 基片有序生長(zhǎng)模板，膜與基片參數(shù)匹配； 生長(zhǎng)材料與基片相同化學(xué)成分——同質(zhì)外延； 兩種材料不同化學(xué)成分——異質(zhì)外延。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4

25、. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,外延生長(zhǎng)可基于蒸汽或液體。 后者可<基片Tm實(shí)現(xiàn)。 5%As+95%Ga混合88℃（<GaAsTm1238℃）熔融， 一個(gè)As與一個(gè)Ga結(jié)合，生成GaAs，基片表面外延生長(zhǎng)。 Ga/As熔融過(guò)程變，開(kāi)

26、始比值高。GaAs基片持續(xù)生長(zhǎng)GaAs模， 工作T<GaAsTm，不伴隨基片熔化。 基于液態(tài)外延生長(zhǎng)術(shù)——液相外延（LPE），有缺點(diǎn)，性能更好氣相外延（VPE）取代。,外延生長(zhǎng)條件： 吸附原子表面擴(kuò)散速率； 基體與薄膜結(jié)晶相容性； 基體表面狀態(tài)。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5.

27、 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,B、分子束外延（MBE）——超高真空汽化低溫過(guò)程 過(guò)程：加熱幾個(gè)裝生長(zhǎng)材料成分熔爐（電子束加熱），汽化，發(fā)射原子飛行過(guò)程結(jié)合形成新分子束，被基片表面吸收。 控制不同材料蒸汽速率，膜生長(zhǎng)慢（0.01-0.03µm/h）； 優(yōu)點(diǎn)：低溫，膜與基片間不擴(kuò)散， 適用生長(zhǎng)應(yīng)變多量子阱（MQW）；

28、MBE（分子束外延）起源MQW。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,量子阱：2種不同半導(dǎo)體相間排列成，明顯量子限制效應(yīng)電子或空穴勢(shì)阱。 特征：量子阱寬度限制（足夠小形成），載流子波函數(shù)一維向局域化。

29、 三明治結(jié)構(gòu)，中間薄層半導(dǎo)體膜，外側(cè)兩隔離層。,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,InAsP MQW PL強(qiáng)度與阱數(shù)關(guān)系,量子阱使量子點(diǎn)有效發(fā)光,nm晶體表面涂層有機(jī)分子，阻礙外來(lái)電子刺激量子點(diǎn)發(fā)光。

30、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將CdSe量子點(diǎn)放在“量子阱”上，量子阱為媒介間接刺激量子點(diǎn)發(fā)光。發(fā)光二極管效率?一倍。 200710 Nature,① 沉 積 ② 外延生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,,,① 沉 積 ② 外延

31、生長(zhǎng),1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,,,,,,,,有些位置空出，雜質(zhì)原子乘虛入，占據(jù)——補(bǔ)空式（a）； 無(wú)空位，雜質(zhì)原子通過(guò)晶格間隙擴(kuò)散進(jìn)基片——填隙式（b）； 兩種都向基片內(nèi)擴(kuò)散——向內(nèi)擴(kuò)散。,表面改性用于制波導(dǎo)，簡(jiǎn)單法擴(kuò)散。

32、 基片與摻雜材料直接接觸，后者固，液或氣體。 二者加熱800-1000℃，熱能?，摻雜物和基片原子比室溫活潑。 基片原子受晶格限制，平衡位置附近振動(dòng)。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 擴(kuò) 散 ② 離子交換與質(zhì)子交換 ③

33、 離子注入,,,基片原子沿與雜質(zhì)原子反方向擴(kuò)散——向外擴(kuò)散。,向內(nèi)擴(kuò)散用于制波導(dǎo)裝置； 如LiNbO3基片放層金屬Ti，擴(kuò)散形成Ti:LiNbO3波導(dǎo)。,向內(nèi)擴(kuò)散,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 擴(kuò) 散 ② 離子交換與質(zhì)子交換 ③ 離

34、子注入,交換過(guò)程：基片和某種材料熔融物。 某種活潑離子在基片中濃度比熔融物中高；另種活潑離子在熔融物中濃度比基片中高?；肴廴谖?，低T（200-400℃），兩種離子相對(duì)擴(kuò)散，基片和熔融物成分交換。 二者極化率差引起n變，用于制造波導(dǎo)。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)

35、關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 擴(kuò) 散 ② 離子交換與質(zhì)子交換 ③ 離子注入,掩模對(duì)離子起擋板作用， 離子通過(guò)開(kāi)槽運(yùn)動(dòng)，開(kāi)槽區(qū)：Na+脫離基片向熔液擴(kuò)散；Ag+向基片擴(kuò)散，取代Na+位置。輕Na+被重Ag+取代基片窄條n?，形成條紋通道波導(dǎo)。外加E強(qiáng)化Ag+向基片擴(kuò)散，縮短t，得較深均勻擴(kuò)散。,圖基于離子交換用鈉鈣玻璃（SiO2，Na2O和其他金

36、屬氧化物混合物）制通道波導(dǎo)原理。,玻璃基片涂掩模，上開(kāi)窄條形槽，浸入AgNO3熔融物。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 擴(kuò) 散 ② 離子交換與質(zhì)子交換 ③ 離子注入,離子注入——用于半導(dǎo)體摻雜。原理： 離子進(jìn)基片，不同方式高真空進(jìn)行，

37、裝置復(fù)雜昂貴。 離子源熔融爐，靜電法抽取離子束，含不同離子， 注入元素單電荷離子，有雙電荷和雜質(zhì)離子。 對(duì)電荷或原子重量敏感濾波器（質(zhì)量或維恩Wien過(guò)濾器）， 選種離子，選出離子束被高壓（100-1000kV）加速，離子高速打擊基片，進(jìn)入。,進(jìn)入基片離子與基片原子不斷碰撞損失能量。 最終某深度停，實(shí)現(xiàn)離子注入。 基片原子碰撞錯(cuò)位，注入結(jié)束對(duì)基片退火。

38、,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,① 擴(kuò) 散 ② 離子交換與質(zhì)子交換 ③ 離子注入,膜層制好，成形，去除不需材料——刻蝕。 去除或刻蝕，依據(jù)純物理或化學(xué)過(guò)程，可結(jié)合。 根據(jù)：是否要求真空和 有無(wú)用掩模分類(lèi)。,早期化學(xué)濕刻蝕；

39、現(xiàn)代微加工含真空刻蝕； 后者——刻蝕。 設(shè)備復(fù)雜，改進(jìn)控制水平，有高度可選擇性和定向性?xún)?yōu)點(diǎn)，廣泛用。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,干刻蝕：純物理，物理/化學(xué)結(jié)合法。 物理法（1）——濺射法： 被刻蝕材料原子受離子轟擊從表面發(fā)

40、射。 過(guò)程射頻濺射刻蝕，射頻濺射沉積變型，電極連接與沉積過(guò)程相反，基片不是靶被轟擊，離子打擊基片有角度，刻蝕有方向性。 物理法（2）——離子束刻蝕：直流濺射鍍膜變型。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,刻蝕需定位。 希望對(duì)基片小面積刻蝕

41、，基片沉積層掩模，需要刻蝕基片位置對(duì)掩模開(kāi)槽。 對(duì)掩模材料性質(zhì)要求有比基片低得多濺射速率，比基片被刻蝕更慢。 純物理法對(duì)不同材料刻蝕速度差別小，掩模與基片以相同速率被刻蝕，刻蝕深度受限。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,解決刻蝕深度受掩模

42、限制措施： 用無(wú)掩模選擇性刻蝕——聚焦離子束（FIB）微加工技術(shù)，將離子束控制在小范圍局部濺射。 為將基片上對(duì)離子曝光區(qū)限制在一小點(diǎn)，濺射高度定位，計(jì)算機(jī)控制，基片上刻要求圖案。 不存在掩模問(wèn)題，允許刻蝕深度達(dá)數(shù)十?m，光電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。 缺點(diǎn)： 串行過(guò)程，生產(chǎn)效率受限； 濺射材料在表面其他處重沉積。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5

43、. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,FIB缺點(diǎn)由活性離子刻蝕（RIE）克服。 物理和化學(xué)結(jié)合，類(lèi)濺射技術(shù)，惰性氣體被活性分子氣體取代。 氣體分解產(chǎn)物（離子）與基片反應(yīng)在低溫形成易揮發(fā)化合物。 并行過(guò)程，借助掩模大面積快速刻蝕；選擇掩模材料和工作氣體，允許深層刻蝕；氣流有方向性，刻蝕高度定向；生成物從基片表面抽走，避免重新沉積。理想刻蝕法。,無(wú)

44、掩模選擇性刻蝕——聚焦離子束（FIB）缺點(diǎn)： ① 串行過(guò)程，生產(chǎn)效率受限； ② 濺射材料在表面其他地方重新沉積。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,AlTi,制造Ti:LiNbO3方向耦合波導(dǎo)掩模板平面圖。 一

45、層Ti金屬圖案， 確定擴(kuò)散區(qū)（無(wú)陰影）； 另層A1金屬圖案， 確定電極輪廓（陰影）；,對(duì)每層分別作塊模板，高精度將二者套準(zhǔn)； 光學(xué)法將模版上圖案轉(zhuǎn)換到基片； 原理：用光敏有機(jī)材料或感光樹(shù)脂特性。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性

46、5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,工藝： 制備一塊掩模板——一片玻璃， 覆Cr金屬暗板；印刷方式將此主板拷貝到基片上。,圖轉(zhuǎn)換過(guò)程，基片鍍帶感光性樹(shù)脂成圖形膜，高倍顯微鏡將掩模板與基片對(duì)準(zhǔn)緊固一起;,紫外光UV對(duì)樹(shù)脂曝光； 基片顯影，膜上得樹(shù)脂

47、圖案； 不希望膜光刻； 去除剩余樹(shù)脂，得波導(dǎo)裝置。,1. 平板波導(dǎo)加工 2. 基片的制備 3. 波導(dǎo)膜的沉積與生長(zhǎng),4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用廣泛波導(dǎo)裝置開(kāi)關(guān)和調(diào)制器。應(yīng)用： 光波網(wǎng)絡(luò)伺服，保護(hù)裝置及旁通開(kāi)關(guān)，信號(hào)處理中可編程延時(shí)線； 用于t分割多路通信系統(tǒng)高速開(kāi)關(guān)，允

48、許幾個(gè)低比特率通道共享同一單模光纖寬頻帶； 信號(hào)編碼外調(diào)制器，光學(xué)開(kāi)關(guān)有兩個(gè)或以上可供選用輸出端； 對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，有相應(yīng)數(shù)量輸入端。,開(kāi)關(guān)參數(shù)： 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓； 開(kāi)啟與導(dǎo)通態(tài)間串?dāng)_； 光學(xué)插入損耗。 對(duì)t分割多路傳輸及信號(hào)編碼，開(kāi)關(guān)速度重要。 方向耦合器： 平衡橋干涉儀； 交叉波導(dǎo)開(kāi)關(guān)； 它們變型。,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,不

49、同形式耦合器各種功能： ?濾波； 偏振選擇。,可調(diào)衰減器,波導(dǎo)型定向耦合器,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,硅絕緣體（SOI）電光調(diào)制器結(jié)構(gòu),集成光波導(dǎo)耦合器,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder（馬赫—曾德?tīng)枺└缮鎯x（MZI）行波電極強(qiáng)

50、度光調(diào)制器。,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,方向耦合器由一對(duì)相距近相同條狀波導(dǎo)組成。 兩波導(dǎo)消逝波重疊，從一波導(dǎo)輸入光通過(guò)耦合進(jìn)入第二個(gè)波導(dǎo)。單位長(zhǎng)度耦合系數(shù)依賴(lài)：波導(dǎo)參數(shù)、導(dǎo)波?及兩波導(dǎo)間隙。 特性由兩波導(dǎo)傳播常數(shù)差?? 及耦合長(zhǎng)度L表示： N1和N2兩波導(dǎo)有效n. 定義：,集成光波導(dǎo)耦合器,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一

51、、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,歸一化參量,缺點(diǎn)： 無(wú)外加V實(shí)現(xiàn)渡越，互作用長(zhǎng)度L精確=耦合長(zhǎng)度整數(shù)倍，制造難； L相當(dāng)于Lc（耦合長(zhǎng)度）若干倍，要求L較大，需高驅(qū)動(dòng)V.,表現(xiàn)狀態(tài)：要求導(dǎo)通與開(kāi)啟態(tài)間有小串?dāng)_開(kāi)關(guān)，第一問(wèn)題嚴(yán)重，L’≠nL調(diào)制器（n整數(shù)），導(dǎo)通態(tài)高損耗； 低V下高速調(diào)制，第二問(wèn)題嚴(yán)重，

52、 ?電極間隙使要求驅(qū)動(dòng)V?.,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,波導(dǎo)濾波器,單模波導(dǎo)濾波器重要元件用于多路通信系統(tǒng)長(zhǎng)歷史。 濾波器參數(shù)： 中心?；通帶寬度； 峰值濾波效率； 旁瓣等級(jí)和 電氣可調(diào)諧性。,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,波導(dǎo)濾波器,濾波帶寬取決應(yīng)用

53、： 使容差最小，用寬帶濾波器； 有很好控制源多路通信，要求濾波器窄帶寬。 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，能有效覆蓋較大帶寬范圍濾波器重要。,1. 方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器,干涉型光開(kāi)關(guān),X交叉型,圖干涉濾波器。 兩臂長(zhǎng)度不等Y形分叉干涉儀，分束器和復(fù)合器有與干涉調(diào)制器相應(yīng)器件同樣功能。,MD型,一、波導(dǎo)的制造 二、開(kāi)關(guān)和調(diào)制器 三、干涉濾波器