U201214092_官山宏_硅基亚波长波导研究

1、附录1： 本科生毕业设计论文硅基亚波长波导研究院 系 光学与电子信息学院 专业班级 光电信息工程1201班 姓 名 官山宏 学 号 U201214092 指导教师 汪毅 2016年 5 月 30日华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管

2、理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日摘 要硅基光波导在光通信和光信号处理当中扮演者重要的角色。随着人们对大容量的光通信和快速的光信号处理的要求的提高，硅基光波导的研究受到广泛地关注。其中，绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator）由于具有极低的传输损耗，使得以SOI为基础的光波导器件得

3、到了迅速发展。对于普通的光波导，光线会沿着折射率高的芯层传播。但是，随着光波导在集成模块的应用，波导尺寸越来越小，在波导制造过程当中，刻蚀所引起的粗糙会极大的增加波导的损耗。亚波长光栅波导的出现减小了刻蚀的粗糙对波导损耗的影响，同时也提供给了一种可以定制材料折射率的波导结构。本文通过对硅基亚波长波导的研究，对具体的加工方法进行了学习，主要包括以下几个方面的工作：从亚波长光栅衍射理论出发，结合等效介质理论，利用软件模拟仿真，模拟分析了硅基亚波长光栅波导的传输特性，模场分布特性，以及色散。分析了硅层厚度为0.26m的SOI亚波长光栅波导当中TE模和TM模的传输损耗。此外，设计优化得到了一种亚波长光

4、栅耦合器，能够将纳米线硅波导当中光低损耗地耦合到亚波长光栅波导当中。在器件原型制备方面，完整的介绍了一套完整的硅基亚波长光栅耦合器的制作过程。在制作过程当中，采用电子束曝光以及ICP刻蚀的方法制备器件原型。 关键词：SOI；亚波长光栅波导；耦合器 AbstractSilicon waveguides plays an important role in optical communications and optical signal processing. With the development of the large-capacity optical communications an

5、d rapid improvements of optical signal processing, silicon photonics received wide attention. Due to low optical losses of silicon in the telecommunication windows, silicon waveguides have been widely applied. For ordinary optical waveguides, light can be spread along the high refractive index of th

6、e core layer. However, with the development of integrated optics, waveguide sizes getting smaller and smaller, the waveguides roughness caused by etching will greatly increase the loss of waveguides. The subwavelength grating waveguide could reduce the loss caused by the roughness. In addition, subw

7、avelength grating waveguide also provides a new method to tailor the index of waveguide. This paper focuses on simulations and fabrication processes of silicon subwavelength waveguides and includes the following aspects:This paper begins with subwavelength grating diffraction theory, combined effect

8、ive-medium theory with software simulation to analysis the transmission characteristics, mode field distribution and dispersion of subwavelength waveguide. The difference of transmission loss between TE mode and TM mode has been simulated with top silicon layer thickness of 0.26um. Based on this, a

9、coupler used for coupling light from Silicon wire waveguide to subwavelength grating waveguide is proposed and optimized. In the preparation of the integrated optical devices, a complete process of fabricating grating coupler and wavelength is introduced. In the production process, electron beam exp

10、osure and ICP etching are used for manufacturing the devices. Key Words：SOI; subwavelength grating waveguide；Coupler目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 硅基光波导的发展11.2 亚波长结构21.3 本文工作42 亚波长光栅波导的分析与仿真52.1 亚波长光栅简介52.2 光波导的导波原理分析62.3 亚波长光栅波导分析82.3.1 有限时域差分法82.3.2 有效介质理论92.4 硅基亚波长光栅波导的仿真与分析92.5 亚波长光栅波导耦合器162.5.1 亚波长光

11、栅耦合器的设计162.6 本章小结233 SOI亚波长光栅波导的制作243.1 微纳加工制造流程243.1.1 光刻243.1.2 刻蚀263.2 加工结果273.3 本章小结28总结29致谢31参考文献32III1 绪论随着信息化时代的来临，人们对于高的通信速率和快速的信号处理需求愈加迫切。而传统的以电子作为信息载体的通信和信号处理方式已经难以满足日益高涨的需求。而以光子作为信息载体的手段似乎可以解决这一难题，这无疑使得硅基光子学成为当今最为热门的研究课题之一。1.1 硅基光波导的发展80年代后期，SOI材料在集成光波导方面的应用被发掘， SOI光波导器件受到广泛的关注和研究。硅材料的折射率

12、为3.477，比二氧化硅的1.444要高出很多，这种大的折射率对比使得SOI光波导很容易将光限制在波导当中。纳米线波导是一种比较容易制作的波导。而且具有很低的传输损耗，这使得纳米线波导比较适合用于集成光路里面的光互连和光传输。但是当弯曲半径较小时，弯曲的纳米线波导的损耗较大，在应用中应尽量避免。由于硅与二氧化硅、空气的折射率相差较大，使得光线很容易被限制在波导当中。但是纳米线波导的高折射率差同样会导致在波导核心与包层的交界处散射较大。拥有高折射率差的脊形波导可以使用大的有效截面来减小在辐射损耗。大有效截面的脊型直光波导的辐射损耗基本可以忽略不计1。辐射损耗主要有两个来源：一个是由波导的弯曲带来

13、的辐射损耗；另一个是在制作过程中造成的波导结构畸变带来的。弯曲损耗与弯曲的曲率半径有关，弯曲的曲率半径越小，弯曲损耗越大。除此之外，对于截面面积较小的光波导，波导截面尺寸的减小会使得波导对光场的限制减弱，从而加大波导的辐射损耗。在狭缝波导中，将普通的光波导的中心使用低折射率材料来取代，在低折射率区获得较强的光场1。对狭缝波导而言，通过使用核心面积足够小的波导使波导模式移位从而使芯包边界场强下降，或者是利用散射辐射固有的干扰作用来减小散射率2, 3。在实际的纳米光子线路当中，硅波导的损耗的变化是一个值得注意的问题。在设计当中采用减小垂直侧壁高度的方法来优化纳米线波导的TE模性能，但是这种优化之后

14、的结构不再支持TM模，而且这种波导插入损耗十分严重。另外一种研究得较多的波导结构是周期性光子晶体波导。光子晶体波导具有损耗低，尺寸小，以及零弯曲损耗的优点4。目前光子晶体波导的研究重点主要是在微结构直径为有效波长二分之一的光子晶体上面。但是光子晶体波导存在与波长和偏振相关的损耗。1.2 亚波长结构衍射效应是光或者是声波在尺寸小于有效波长一半的结构当中受到限制的一种现象。在19世纪后期，一种由很细的平行金属网格制成的偏振器问世。亚波长结构应用在微波炉里面，用来吸收微波。还有就是在声学消声室里面，墙壁上面覆盖一层锥体吸收材料，从而减少反射现象。在20世纪60年代，人类第一次观察到了波长量级的光学现

15、象。一种在夜间活动的飞蛾通过减少角膜对光的反射来保护自身不被捕食者发现。之后就开始了亚波长光栅光学的研究。在此之后，基于亚波长光栅结构的双折射材料、抗反射涂层以及窄带滤波器相继问世。随着亚波长光栅应用的发掘，一种分析亚波长光栅衍射现象的有效均匀介质理论被提出来。在入射光波长要大于光栅周期的时候，除了零级衍射光之外，其他的衍射级次均被抑制，在这种情况下，光栅结构可以近似看为一种有效地均匀介质5。硅光子技术可以依靠整套硅基微电子产业技术的制造基础设施。在摩尔定律的推动下，CMOS制造工艺有望能大幅度地减少光子器件的成本。在这些优势条件下，亚波长量级的硅基光学器件有望得到迅速的发展，达到传统光学之前

16、难以达到的水平。亚波长结构可以用来代替传统的抗反射光学薄膜。在材料表面增加一层尺寸为几百个纳米的锥形整列，可以减少材料表面的反射率。亚波长结构还可以做成双折射材料。将不同的材料在亚波长量级上面组成的交替的薄层，这样制造的材料可以产生双折射现象。例如，将由厚度小于波长的硅和二氧化硅薄片交替叠加，就可以组成一种人工制造的双折射材料6。这种人造的双折射材料可以在阵列波导光栅复用器当中用作偏振补偿器。在硅波导的端面加上亚波长光栅结构还可以制成高反射率的亚波长光栅反射面。在垂直腔面发射激光器里面，使用高反射率光栅结构替代顶端的分布式布拉格反射光栅。在亚波长光栅的周期结构当中，当光栅周期小于有效半波长的时

17、候，光在里面的传输类似于在均匀介质当中的传输。由于在亚波长光栅波导当中的波导核心由两种材料构成，通过改变这两种材料的组成比例，就可以改变波导的有效核心折射率。由于亚波长光栅波导的特殊结构，在设计的时候，通过计算，采用具有相反的温度系数的材料，控制材料的比例，就可以得到消热差波导7。同样的，也可以对波导的色散进行设计。采用亚波长光栅波导设计的波导十字通道8具有损耗低，串扰小的优点。采用啁啾的光栅结构，通过改变光栅的占空比，逐渐改变波导的有效折射率。亚波长光栅波导当中模式会该发生偏移，而且在交叉处亚波长光栅波导的有效折射率差比纳米线硅波导要低，减小了光与交叉结构的相互作用。亚波长光栅结构还可以用于

18、光纤和纳米线波导之间的耦合连接。采用亚波长光栅结构的耦合器的耦合损耗可以低至-1dB，比于传统的反锥形耦合器的耦合损耗要低，而且具有更高的耦合带宽。亚波长光栅耦合器的宽度是反锥形耦合器尖端宽度的3倍以上，在耦合器的宽度改变50个纳米的情况下，损耗只有-0.1dB的改变9。所以在实际的加工过程当中更加容易获得符合高耦合效率要求的器件。另外一种采用亚波长图案表面的光栅耦合器是用于垂直耦合。采用切趾技术后，与标准单模光纤场分布的重叠积分可以达到95%。耦合效率达到50%以上。此外，还有太赫兹基础全光开关器件，偏振片，零色散定向耦合器，亚波长光栅波导透镜，亚波长光栅解复用器等一系列的使用亚波长结构实现

19、的器件。亚波长光栅皆有由于其独特的性质以及能够很容易实现的有效折射率的设计使得其发展迅速起来，同时也为集成光学带来了新的可能性。1.3 本文工作本论文的主要研究内容如下：（1）介绍亚波长光栅波导优点，以及亚波长光栅波导的应用和发展。（2）介绍亚波长光栅波导的研究方法。从光波导的导波理论出发，利用软件仿真，建立硅基亚波长光栅波导模型。并对其传输特性，模场分布，偏振相关损耗，以及群速度色散进行了仿真分析。（3）设计了一种纳米线波导到亚波长光栅波导的高效率的耦合器。采用SOI为基底，并且对基模有较高的耦合效率。在仿真结果当中，耦合器在入射光源波长为1550nm附近工作时，TE模的耦合效率可以达到95

20、%以上，TM模耦合效率可以达到80%左右。（4）对仿真优化得到的器件结构进行了加工制造。在实验室的微纳制造工艺平台，采用先进的电子束曝光和ICP刻蚀法制造器件原型，并测试加工出来的器件尺寸与设计尺寸的偏差。2 亚波长光栅波导的分析与仿真亚波长光栅结构的应用由来已久。上世纪80年代，已经出现了亚波长抗反射光栅以及同样是亚波长结构制成的窄带滤波器。现如今，国外关于亚波长结构的硅基波导以及有了诸多的报道。与亚波长光栅波导一同出现的包括诸多的利用亚波长折射率工程的实际组件包括：渐变折射率波导交叉，光纤芯片耦合器，消热差波导，波导复用器以及太赫兹光开关等。这些亚波长结构器件的出现为光集成带来重要影响。2

21、.1 亚波长光栅简介在传统光学当中，主要使用的光学元件包括透镜，棱镜，反射镜等。利用的是光的折射和反射的特点。在使用这些光学元件的时候，人们尽量避免衍射效应给光学系统带来的不好的影响。但是随着集成光学的发展，大规模的光学元件的集成受到人们的重视。这个时候，人们才开始关注衍射光学元件的研究。衍射光学元件具有许多传统的折反射光学元件所不具备的优点。首先，衍射光学元件一般体积较小，相应的其质量也较轻。其次，衍射光学元件的光路更加容易控制。衍射光学器件与传统的光学器件不同，它是通过在空间结构上设计介质的分布从而达到控制光传播特性的目的10。由于衍射光学元件具有传统光学元件所不具备的体积小，重量轻，光路

22、控制容易等特点。这使得衍射光学元件十分适合于集成光学系统当中。光栅作为一种衍射光学元件，已经广泛运用到光集成、光通信以及光谱仪当中。光栅是一种具有周期性空间结构的光学元件。光栅周期远大于入射光波长的时候，入射光将产生多个级次的衍射光，此种情况适合采用标量理对光栅进行分析。当光栅尺寸与入射光波长尺寸相当的时候，适合采用矢量理论对光栅进行分析。当光栅尺寸远小于入射光波长的时候，可以采用等效折射率法研究。大多数的光学材料中的原子或分子的结构看起来很小，在其中的传播的光可能主要受其折射率影响。当对象具有比光的波长大的结构时，可以通过衍射、 折射和反射定律描述及其对光的传播的影响。亚波长结构处在这两种极

23、端机构之间。亚波长结构太小，不能上升到衍射层面，但是作为介质也因为太大而不能视为严格均匀的介质，但是可以通过麦克斯韦电磁方程严格求解5。2.2 光波导的导波原理分析光的本质是电磁场。要分析光在波导当中的传输特点，可以采用描述电磁波传播规律的麦克斯韦方程组对其进行分析。麦克斯韦方程组的微分形式如下 式中， 、 、 、 和分别表示电场强度，磁场强度，磁感应强度，电位移，电流密度和电荷密度。t 代表时间。当光在SOI光波导当中传播时，而且。为了求出 、 、和 各个量，还需要知道， 和 ， 和 之间的关系。他们之间的关系与电磁场所在的介质特性有关，。其关系可以表达为： 式中， 和 分别代表真空当中的介

24、电常数和导磁率，分别是 和。 和 分别代表介质相对介电常数和相对导磁率。在SOI波导中， 一般不随空间变化，视为常数1。利用式和化简麦克斯韦方程组，结果如下 利用麦克斯韦方程组得到波动方程，再从求解波动方程和运用边界条件得到所需结果。利用矢量分析法及式，可以得到 由式和式可得 比较式和式，即 类似的，对于磁场强度也有类似的 由式和式可知，只要知道波导介质的介电常数，就可以得到电磁场的空间分布，结合时间的谐波形式，就可以得到其具体的表达形式。2.3 亚波长光栅波导分析采用麦克斯韦方程组求解复合三维结构波导的解析解较为困难。所以采用解析解法不大现实。除了采用求解解析解的方法外，另外一种依靠数值分析

25、的分析方法更加直接有效。2.3.1 有限时域差分法有限差分法能够将通过转化，通过求解代数方程组和本征值的方法来求解微分方程的边值问题，从而得到数值解。采用有限差分法来求解非均匀折射率分布的波导十分方便。要采用有限元方法首先要将需要求解的区域分割成一系列的小区域，然后将每一个小区间的场分布用一个含有不定系数的通解表示出来。值得提出的是，区间的划分会影响计算的结构的精度，但是划分得太过仔细会导致计算量过大，所以在使用有限元法分析问题时需要选取合适的区间划分，在电场和磁场变化较快的区间，可以划分细致一点，在电场和磁场变化不是太快的区间，可以适当加大划分的区间。其次，根据边值问题建立有限个待定参量的代

26、数方程组。然后通过场分量的边界连续条件，将所有划分出来的区间的场的各个分量函数联立，再利用整个区间边界条件的连续性，就可以获得全部要求解的区间的待定代数方程组。最后，通过求解之前得到的代数方程组，就能求得所需要的特征值和场解。1966年Yee首次提出了一种电磁场数值计算的新方法，称为时域有限差分法(finite- different time-domain, FDTD)，是一种基于时间域的仿真方法11。其核心的是将电场和磁场首先在时间域做离散，然后在空间上通过名叫Yee cell的小方块，将麦克斯韦方程里面的电场和磁场分解到不同的位置。在三维的情况下，电场和磁场一共有六个分量 、和，这六个分量

27、均不在同一位置。通常情况下，FDTD方法是把麦克斯韦方程组在时间和空间领域上进行差分化。通过分别计算每一个划分区间电磁场的方法，对整个区域的电场和磁场分别进行计算，通过时域上更新来模拟电场和磁场的分布，从而达到在数值上计算的目的。2.3.2 有效介质理论采用求解麦克斯韦方程组的方法来分析亚波长光栅波导当中光的传输不仅十分复杂，而且也并非必须。通过近似的方法，将亚波长光栅等效为一种均匀有效折射率材料的方法，不仅仅简化了分析求解过程，而且精度也足以满足需求。光在亚波长光栅波导当中传输时，由于亚波长光栅结构较普通原子或分子更大，所以光在其中传输不是直接受到其折射率影响，但是作为介质也因为结构略小于波

28、长而不受衍射，折射和反射的影响。这种情况下，采用有效介质理论分析具有更加简单，快捷的优点。当光在如图2.1 的周期结构当中传播的时候，如果结构的周期与有效波长的一半相当，那么光的传输就在色散平坦区域，处在光子带隙范围内。当结构的周期要小于有效波长一半的时候，光是在线性色散区间传输，在这种情况下，这种周期结构表现出与均匀有效介质一样的特性12，可以采用有效折射率理论进行分析。图2.1 光在周期结构当中的传播132.4 硅基亚波长光栅波导的仿真与分析硅基亚波长光栅波导的仿真主要是计算波导当中的模式特性和损耗。本文主要通过软件仿真，分析硅基亚波长光栅波导的模式分布，并将其损耗、模式分布等特性与等效线

29、波导相比较。模拟仿真的硅基亚波长光栅波导结构示意图如图2.2所示。采用SOI衬底，掩埋氧化层的厚度为2m，硅层的厚度为0.26m。上包层采用二氧化硅，厚度为2m。整个波导的核心由周期性分布的硅（n=3.476）和二氧化硅(n=1.444)组成。在硅基亚波长光栅波导当中，光栅的周期，占空比都是经过设计来避免因布拉格散射而形成的驻波和在 = 1550 nm波长附近的开放带隙带来的影响。按照这个标准，选取以下结构参数: 光栅间距= 300nm，其中波导核心宽度w=300nm，硅段长度a=150nm14。整个硅基亚波长光栅波导的长度为10m。图2.2硅基亚波长光栅波导结构示意图15采用FDTD sol

30、utions对上述结构进行仿真。采用完全匹配层(perfectly Matched Layer, PML)边界条件。PML对入射波具有很好的吸收效果，PML层中的透射波迅速衰减16。仿真光源采用TE模式光源，光源尺寸为2m，波长范围为1.48m到1.58m。得到的波导截面的模式分布图如图2.3所示。图2.4是沿着光传播方向的TE模的场分布。图2.3 = 300nm ，w=300nm， a=150nm硅基亚波长光栅波导模式分布图图2.4 沿光栅方向的场分布图采用等效介质理论，根据长周期光栅的结论：周期波导的折射率差 与均匀波导的有效折射率差 满足 5。其中 是占空比，在本文模型当中为50%。现在

31、进行初步的计算，认为有，那么由硅和上包层采用二氧化硅组成的亚波长光栅波导的包层折射率 ，核心的等效折射率为 。等效波导原理图如图2.5所示。图2.5 等效线波导示意图15根据上述分析得到的结果，同样使用FDTD solutions 对上述等效线波导进行仿真。与亚波长光栅波导相同，等效线波导也是采用SOI衬底。掩埋氧化层的厚度为2m，波导芯的高度为0.26m，上包层采用二氧化硅，厚度为2m，线波导的宽度为0.3m。分析等效线波导的模式分布，其模式分布如图2.4所示。比较图2.3和图2.6，等效波导的模场分布与亚波长光栅波导的模场分布一样发生了偏移。 图2.6等效线波导模式分布使用MODE sol

32、utions当中的FDE（finite difference engine）solver 对硅基亚波长光栅波导的其他一些性能进行分析。如图2.7为亚波长光栅波导与纳米线硅波导的群速度色散曲线。光在亚波长光栅结构当中以布洛赫模式传输，布洛赫模式的群速度可以从下图的色散曲线的斜率得来。从图中可以看出，当入射光的频率超过200THz之后，波数随频率的增加急剧增加。 图2.7 亚波长光栅波导与纳米线硅波导群速度色散如图2.8是亚波长光栅波导当中TE模和TM模的群折射率曲线。在亚波长光栅波导当中，TE和TM模的群折射率 是波长的函数。在波长范围为1.48m到1.58m的范围内，TE模的有效折射率在2.1

33、左右，TM模的有效折射率在1.9左右。计算得到的波导的群折射率和波导模式的有效折射率相差不大，这表明光在亚波长光栅波导当中传输的时候没有慢光效应或者是光栅谐振效应。图2.8亚波长光栅波导TE模和TM模群折射率曲线使用MODE solutions对硅基亚波长光栅波导分析其传输损耗，其尺寸与上述尺寸相同。如图2.9所示是亚波长光栅波导在1.48m到1.58m波长范围内TE模和TM模的损耗曲线。图2.9硅基亚波长光栅波导TE模与TM模损耗曲线从图2.9可以看出，在1.55m波段，硅基亚波长光栅波导当中,TE模的传输损耗为0.00042dB/cm，TM模的传输损耗为0.00034dB/cm。在1.55

34、m波长附近，TE模与TM模的传输损耗接近于0。对于亚波长光栅波导来说，光在传输1cm的距离当中，在折射率差达到1.9的两种材料之间穿过三万多次，而且损耗可以接近于0，在波导方面有很好的应用价值。传统的纳米线硅波导在优化TE模性能之后损耗可以低到1.5dB/cm左右，但是这种优化之后的纳米线硅波导是通过减少垂直侧壁高度的方法来优化TE模性能，虽然能将TE模的传输损耗降低，但是，优化之后的波导结构不再支持TM模的传输。典型的线缺陷光子晶体波导的传输损耗在6dB/cm左右，而且存在波长和偏振相关的损耗。与纳米线波导不同，理想的硅基亚波长光栅波导的传输损耗基本上可以忽略不计。但是硅基亚波长光栅波导不仅

35、仅支持TE模的传输，而且同样支持TM模的传输。对于TE模和TM模两种不同的模式，传输损耗基本上没有差别。不会像典型线缺陷光子晶体一样存在明显的偏振相关损耗。波导损耗的来源一般包括以下几个方面：散射损耗，吸收损耗，弯曲损耗。为大家所熟知的是，波导散射损耗在直波导的损耗当中占主要地位。散射损耗大体上可以分为两种：体散射损耗和表面散射损耗。在SOI衬底的硅基光波导当中，组成波导核心的硅的缺陷和杂质是体散射损耗的主要来源。随着半导体技术的发展，现在已经可以获得纯度非常高，缺陷也非常少的硅，所以体散射损耗对于硅基光波导的影响较小。相对于体散射损耗来说，表面散射损耗对硅基光波导损耗的影响要大得多。在硅基光

36、波导的散射损耗当中，表面散射损耗占据主要的地位17。硅基光波导的表面散射损耗与制作过程当中造成的波导表面粗糙程度有关。一般硅基光波导是采用刻蚀加工而成，这就使得光波导的表面会因为刻蚀的速率不一致导致表面比较粗糙，这也正是硅基光波导损耗来源之一。硅基波长光栅波导由于其结构的特殊性，能够减小由波导表面的粗糙所引起的散射损耗。从图2.3可以看出，亚波长光栅波导的模式分布与普通的纳米线硅波导不同。相较于普通的纳米线硅波导，亚波长光栅波导的模式发生了移位。模式偏离波导的核心造成核心和包层处的场强得到削弱，从而降低了与侧壁粗糙相互作用的光场的强度，进而降低了散射损耗。其次，亚波长光栅波导的核心采用的是空间

37、上周期分布的硅和二氧化硅组成，所以也减少了光场与粗糙侧壁的作用距离，降低了散射损耗。所以从理论上来看，实际制作出来的亚波长光栅波导的损耗能够比线波导更低。2.5 亚波长光栅波导耦合器由于集成光子学的发展，许多采用SOI衬底的光子器件被研究开发出来。硅基光子学需要将这些器件有效地连接起来。并且光在这些器件转换的时候能有最高的效率。这个时候需要在不同的器件之间采用一个过渡的结构将光连通到其他的器件当中。耦合器在集成光子学当中就扮演着沟通不同的器件的角色。耦合器有多种结构，包括外形上采用倒锥形的锥形耦合器和设计折射率分布的梯度折射率结构。一般情况下，采用三维结构的耦合器的耦合效率要高于二维结构的耦合

38、器，但是三维结构的耦合器无论是在耦合器的设计还是制作方面都要比二维的耦合器要复杂，工艺要求也更高。2.5.1 亚波长光栅耦合器的设计现在要设计一个耦合器，将SOI衬底的纳米线波导的光耦合到亚波长光栅波导当中去。纳米线波导的宽度为450nm，亚波长光栅波导的宽度采用与纳米线波导相同的宽度。在光栅周期为400nm，由于亚波长光栅波导当中场分布与纳米线波导当中的场分布不同，纳米线波导当中场主要集中在由硅组成的核心当中，与纳米线波导不同，亚波长光栅波导当中的模式分布发生移位，在核心区域场较弱，主要分布在核心两侧。采用直接连接的耦合方式会造成较大的损耗。所以需要一个过渡的耦合器结构将纳米线波导当中的光耦

39、合到亚波长光栅波导当中。光栅耦合器可以通过光栅的衍射作用，将光线耦合到波导当中。耦合器主要用于解决光的耦合过程当中由于模式的失配和折射率不匹配对耦合效率的影响。最初的耦合器的原型是采用在纳米线波导的两侧加上亚波长光栅的锯齿结构，其结构如图2.10 所示。图2.10 耦合器结构示意图采用上述的结构来设计光栅耦合器，将纳米线波导的两侧刻蚀成为与亚波长光栅波导有相同周期和占空比的锯齿结构。采用此结构进行耦合仿真，耦合效率仅有50%左右。分析其损耗原因如下：在纳米线波导与此耦合器的连接处，由于中心线波导宽度的突然减小，会造成一部分的能量辐射到包层当中，造成损耗。与之相对应的，在此结构与亚波长光栅波导连

40、接处，线波导完全被亚波长光栅波导的取代会造成能量的损耗。针对耦合过程当中上述问题，可以采用在耦合器部分加入锥形结构的方法来解决。在现在广泛使用的光纤芯片耦合器当中，这种倒锥形的结构常有出现。锥形结构的应用使得耦合效率有较大的提升。锥形耦合器的加入使得线波导的宽度缓慢变化，直到达到一个特定的宽度。在硅基光子器件加工技术方面，加工尖端宽度为0.1m的锥形是比较容易达到的，而且宽度为0.1m的线波导在难以对光产生限制作用，经过改进后的耦合器加入了锥形结构，其原理如图2.11 所示图2.11 加入锥形结构后的耦合器模型采用了锥形结构之后，耦合器的效率有所提升。锥形结构当中，其截面积逐渐减小，纳米线波导

41、当中的模逐渐泄露到亚波长光栅结构当中。锥形结构的长度会对耦合器的效率产生影响，一般情况下，耦合长度越长，耦合效率应该越高。但是一味地增加锥形结构的长度会造成耦合器的尺寸过大，不利于光子学器件的集成。现在改变锥形结构的长度，模拟不同长度的柱形结构的耦合效率。模拟耦合器的锥形结构的尖端为0.1m，分别对锥形结构长度为5m，10m，15m，20m的耦合器的耦合效率进行了仿真。结果见图2.12 图2.12 锥形结构不同长度L对能量输出比值的影响从图中结果可以看出，随着锥形结构的增加，耦合输出能量比例也更大。但是当耦合器长度达到15m以上后，再增加锥形结构的长度，耦合效率的增加缓慢，分析所得的结果，耦合

42、器当中的锥形结构长度在15m到20m范围内效果比较理想，而且不会使耦合器的整个的结构太大。在与锥形结构叠加的亚波长光栅部分，为了减小与亚波长光栅波导之间的折射率差，光栅的占空比采用与亚波长光栅波导一样的占空比，为50%。对于重叠区域光栅的周期对耦合效率的影响进行了分析。分别选取重叠区周期为0.2m，0.3m以及0.4m的光栅耦合器对其耦合效率进行仿真分析。仿真结果如图2.13 ，横坐标是光栅周期，纵坐标是锥形端输出的能量与输入端能量比。图2.13 耦合器不同的光栅周期对输出能量的影响从图中可以看出，光栅周期对耦合器输出效率有较大的影响，在亚波长光栅的周期为0.2m的时候，透过光栅和锥形结构的能

43、量能达到97%，当光栅周期继续加大到0.3m时，透过的能量有较少的趋势，当光栅周期继续增大到0.4m之后，输出能量比例急剧下降。所以在耦合器的设计当中采用周期为0.2m的光栅结构与锥形结构叠加。仿真过程当中发现，由锥形结构之后直接连接到亚波长光栅波导的过程当中，损耗较大，从锥形结构尖端输出的能量能达到入射能量的95%以上，但是在直接连接的亚波长光栅波导当中传输3m左右之后，能量只剩下85%左右，所以需要进一步优化从锥形结构尖端到亚波长光栅部分的结构。在现在使用较多的光纤芯片耦合器当中，有使用非均匀光栅制作的耦合器，而且这种非均匀光栅结构的耦合器的耦合效率也非常高。在1550nm波长，普通单模光

44、纤到硅波导的耦合效率可以达到93%18。在这种非均匀光栅耦合器的启发下，现在尝试在所设计的耦合器当中加入非均匀的光栅结构来提高耦合效率。在现在设计的耦合器结构的基础上，将锥形结构之后与亚波长光栅波导相连的部分改为非均匀的光栅结构。为了减小光栅周期和其中硅片的长度突变对耦合效率的影响， 在非均匀光栅与锥形结构末尾连接处缩小光栅的周期，占空比适当减小。在过渡到亚波长光栅波导的非均匀光栅部分，非均匀光栅的周期和占空比均在缓慢增加直到与亚波长光栅波导的周期相同。其原理图如图2.14 图2.14 耦合器当中非均匀光栅部分对改进结构之后的耦合器的效率进行仿真，在入射波长为1.5m到1.6m的范围内，分别对

45、TE模和TM模的耦合效率进行模拟仿真，得到的结果如图2.15 所示。图2.15 1.5m到1.6m波长范围内，耦合器对TE模与TM模的耦合效率耦合器各个部位的场分布如图2.16所示。cbda 输入端线波导处场分布b 锥形结构中部场分布c 锥形结构末端场分布d 亚波长光栅波导处场分布图2.16 耦合器当中各个位置的场分布从图2.15 可以看到，在入射波长为1.5m到1.6m的范围内，所涉及的耦合器对TE模的耦合效率在95%以上，TM模的耦合效率在80%左右。对于通信使用的波长为1.55m耦合效率，TE模耦合效率为95%，TM模的耦合效率为78%。对于TE模耦合效率要远高于TM模的耦合效率的原因有

46、如下分析：1、整个波导当中，纳米线波导的宽度为0.45m，亚波长光栅波导的宽度为0.35m ，而SOI衬底当中的硅层厚度仅为0.26m，这导致波导当中对于TE模和TM模的限制效果不同；2、耦合器当中的锥形结构仅仅在宽度的方向上面有尺寸的变化，可以减缓TE模当真的电场的泄露，但是在高度方向上面尺寸并没有变化，所以对于TM模当中的电场的泄露并没有减缓作用，也就是说锥形结构的加入对TM模的耦合效率的作用达不到对TE模的耦合效率的优化效果。2.6 本章小结本章对亚波长光栅进行了介绍。然后从麦克斯韦方程组出发对波导结构导波原理进行了分析。对亚波长光栅波导的研究方法做了介绍，包括有限时域差分法，和有效介质

47、理论。接着采用FDTD solutions对硅基亚波长光栅波导进行了仿真分析。仿真的硅基亚波长光栅波导的氧化掩埋层厚度为2m，波导核心有亚波长光栅结构组成，亚波长光栅的高度为0.26m，光栅周期为0.3m，宽度为0.3m，占空比是50%。在上表面覆盖一层厚度为2m的二氧化硅。仿真分析了TE模和TM模在亚波长光栅波导当中的模场分布，并且模拟了这种亚波长光栅波导的等效波导当中的场分布。对TE模和TM模在亚波长光栅波导当中的传输损耗进行了仿真分析，在理想条件下，TE模和TM模的传输损耗几乎为零。为了解决从纳米线波导到亚波长光栅波导的耦合问题，设计了一种亚波长光栅耦合器，并且对结构进行不断优化。耦合器

48、总长度为24m。其中连接纳米线波导段的宽度为0.45m，锥形结构长度为16m，非均匀光栅长度为8m。最后仿真得到亚波长光栅耦合器在波长范围在1.5m到1.6m的范围内，对TE模的耦合效率为0.95，对TM模的耦合效率为0.8左右。3 SOI亚波长光栅波导的制作3.1 微纳加工制造流程要将所设计的硅基亚波长光栅波导加工出来，首先要了解微纳加工制造的基本流程。完整的过程包括以下几个步骤19：硅片表面的清洗烘干、涂底、光刻胶的涂覆、软烘、边缘光刻胶的去除、对准曝光、后烘、光刻胶的显影和定影、硬烘、刻蚀、去胶以及图形检测。3.1.1 光刻光刻是通过一系列的步骤，将所设计的掩模板的图案转移到光刻胶上面，

49、在此之后，衬底表面会留下带有掩模板图形的薄膜。1. 硅片清洗烘干硅片的清洗是为了除去硅片表面的颗粒、有机物、工艺残余等污染物。并减少表面的缺陷。清洗的方法可以采用高压氮气吹洗，化学湿法清洗，超声波清洗以及去离子水冲洗，一般情况下可以采用多种方法清洗，使得清洗效果更好。而烘干可以去除水蒸气，使硅表面由亲水性变为憎水性，增强光刻胶在表面的粘附性。烘干一般使用110摄氏度的温度进行低温烘干。在氮气保护的条件下烘干1到2分钟。低温烘干的优点使温度比较容易达到，而且烘干之后硅片可以快速冷却下来，减少了冷却期间其他污染物再次附着上去的可能性。2. 涂底涂底是为了增强硅表面光刻胶的粘附性。在对硅片进行清洗烘

50、干之后，在硅表面涂上一层增黏剂。3. 光刻胶的涂覆在涂底之后，在硅表面涂上一层光刻胶薄膜。涂胶的方法一般有两种，静态涂胶和动态涂胶。涂胶之前先将材料固定在支撑架上面。静态涂胶是在在硅片静止时将光刻胶涂在硅表面，然后加速旋转，是光刻胶均匀的分布在表面。动态涂胶是在平台低速旋转的时候讲光刻胶滴在硅表面，然后加速旋转，利用产生的离心力使光刻胶在硅表面形成一层均匀的光刻胶薄膜。目前使用得较多的是动态涂胶。光刻胶的厚度与光刻胶的黏度，旋转速度都有关系，光刻胶的黏度越低，光刻胶的厚度就越薄。旋转的速度越大，光刻胶的厚度越薄。此外，旋转加速度的大小会对光刻胶均匀性有影响，加速度越大，光刻胶的厚度越均匀。4.

51、 软烘软烘的目的是去除光刻胶当中的溶剂，同时还能增强光刻胶的粘附性。除此之外，软烘过程当中还能够去除光刻胶薄膜内部的应力。软烘能够使得光刻胶薄膜更加的均匀，减少杂显影过程当中浮胶和脱胶现象的出现。5. 边缘光刻胶的去除在光刻胶的涂覆过程完成之后，在片子的边缘的正反两面都会有残余的光刻胶。而且硅表面的边缘光刻胶的厚度不均匀。边缘不均匀的光刻胶影响曝光过程，对周围的图形也会产生影响，而且十分容易脱落。所以必须去除边缘部分的光刻胶。边缘光学胶的去除可以采用化学方法或者是光学的方法去除。采用化学的方式是在软烘之后在边缘部分涂上去边溶剂，将边缘的光刻胶去除。光学的方法是在完成图形曝光后，用激光曝光片子的

52、边缘，然后将其溶解。6. 对准曝光对准是将图案中心与片子的中心正对，一次套刻的对准比较容易。对准之后就是曝光。曝光就是将片子上的光刻胶进行选择性的曝光，被曝光区域的光刻胶可以被显影液溶解，而没有曝光区域的光刻胶在显影溶液当中就被保留下来。曝光过程当中，曝光的能量和焦距会影响图案的分辨率。曝光能量与光刻胶的种类和厚度有关。根据曝光过程当中掩模板与光刻胶的距离，可以将曝光方式分为接触式曝光，接近式曝光和投影式曝光。接触式曝光和投影式曝光的分辨率较高，但是设备复杂，接触式曝光的掩模板寿命较低，接近式曝光的分辨率较低。7. 后烘曝光时，在光刻胶当中由于干涉效应形成驻波。在驻波的波腹和波节处分别形成过曝

53、光和欠曝光，使得分辨率降低。在曝光之后对片子进行的烘焙，加剧光刻胶分子的热运动，使过曝光和欠曝光部分的光刻胶重新分布，降低驻波效应带来的过曝光和欠曝光现象，提高光刻胶分辨率。8. 光刻胶的显影和定影经过曝光处理之后，光刻胶的化学性质发生改变，能够溶解于显影液。将片子浸入显影液，显影液将曝光部分的光刻胶溶解，未曝光部分的光刻胶得以保留下来，从而将掩模板的图案转移到光刻胶薄膜上面。显影之后，将片子浸入水中，稳固光刻图案的过程就叫做定影。9. 硬烘硬烘是为了将光刻胶里面的溶剂完全蒸发掉，同时起到了坚模的作用，使得刻蚀过程当中光刻胶可以更好的保护光刻胶下面的材料。除此之外，硬烘还可以进一步的增强光刻胶

54、和片子之间的黏附力。3.1.2 刻蚀 刻蚀过程主要包括两个部分：刻蚀和去胶。刻蚀是指将经过光刻之后，去掉片子上面没有被光刻胶覆盖的硅材料。从而得到和掩模板上面图案一样的结构。对刻蚀的方法进行分类可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀是通过刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应，将被刻蚀物质从片子上面移除。湿法刻蚀的优点是适应性强，表面均匀性好、对硅片损伤少，工艺简单。缺点在于对图形刻蚀可控制性较差，刻蚀图形的最小尺寸精度较大。干法刻蚀采用等离子体和表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。其优点在于能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图样有较高的精度。干法刻蚀主要包括反应离子刻蚀、

55、离子束刻蚀、电子回旋共振刻蚀以及电感耦合等离子体刻蚀。反应离子刻蚀同时包含物理轰击和化学反应来对材料进行刻蚀，一方面采用离子束进行轰击，另一方面同时发生化学反应去除暴露部分材料。反应离子刻蚀的刻蚀速率较高，整个刻蚀反应的过程可以进行控制。在反应离子刻蚀当中，等离子体首先将氛围气体电离成能够参与化学反应的元素，这些生成的可以参与化学反应的元素到达暴露的硅表面后继续扩散并与硅发生化学反应。电感耦合等离子体刻蚀与反应离子刻蚀的不同在于电感耦合等离子体刻蚀使用的是射频电源来取代直流电源。从而避免了内建电场对外加偏压的削弱，使得等离子体不会中断。与反应离子刻蚀相比，电感耦合等离子体刻蚀的速度更快，能刻蚀

56、的最小精度更小，刻蚀的槽壁垂直度也更好。在刻蚀完成之后，需要将片子表面所有的光刻胶都去除干净。去除光刻胶可以采用氧化法去除。3.2 加工结果在加工制作之前需要先根据设计的器件结构绘制板图。由于实验室采用的是正光刻胶，所以绘制的板图与器件的外形应该是互补的。由于采用的是电子束曝光，所以不需要制作掩模板。采用L-edit软件绘制掩模板，根据掩模板上面曝光部分的位置信息，控制电子束的运动从而达到曝光的目的。采用电子束曝光的方法免去了掩模板的加工和对准过程，同时在修改器件尺寸时只需要在软件当中修改参数就可以实现，而不用重新制作掩模板。采用等效介质理论计算得到没有二氧化硅作为上涂覆层的光栅波导的占空比应

57、该为60%。考虑到刻蚀过长中会出现的误差，现在将刻蚀部分的尺寸有120nm减小到90nm。如图3.1是加工之后的结构在电子显微镜下面的照片。图3.1 亚波长光栅波导电镜图加工过程绘制的板图尺如下：光栅周期=300nm，硅段长度a=150nm，波导宽度w=300nm。在电子显微镜下观察并测量得到的光栅宽度为327.8nm，硅段长度a变为167.6nm，光栅的占空比变为了51%。实际制作的光栅波导在尺寸上与所设计的波导存在20nm左右的偏差。从图中还可以看到，刻蚀剩下的硅并不是完全的垂直，有一定的倾角。刻蚀的不均匀性导致的刻蚀面会比较的粗糙，这种粗糙的刻蚀面会对实际制造的亚波长光栅波导的损耗有较大的影响。在实际的