文档介绍
| SOI(Silicon-On-Insulator)脊形光波导由于其优异的电学和光学性能成为集成光路的重要组成部分,在未来光互连与光计算等领域有着非常重要的应用,而光波导的损耗问题一直以来被视为其实现商业化的主要问题。本论文中,我们代表性地就SOI脊形波导的设计、制备、表征以及损耗问题的产生机制、解决途径和分析实验等相关问题作了系统的研究。主要工作表现在以下几个方面:1.通过理论推导分析了SOI脊形光波导的模式传输特性和损耗特性。采用有效折射率方法分析了SOI脊形光波导的模式特性,获得了不同尺寸范围内SOI脊形光波导的单模传输条件。利用有限差分光束传输(FD-BPM)方法进行数值模拟,获得了不同尺寸脊形光波导的横场分布,相同结构下得到的准TE和准TM模模拟结果表明准TE模受到波导侧壁粗糙度更大进而具有更大的散射损耗,波导结构特性的模拟结果为波导优化设计和以后相关损耗的分析提供了理论依据。2.利用ISE-CAD软件中Dios和MDraw两个工艺仿真模块对SOI脊形光波导和PIN结的制备工艺以及二氧化硅乳胶扩散掺杂的杂质分布和结深进行了模拟,获得了PIN结构两掺杂区的参考间隔宽度和工艺参数;采用半导体激光模拟软件Sim Windows分别对热平衡状态下和正、反向偏压下PN结和PIN结的电学特性进行了模拟,获得了各自内建电场的分布和自由载流子分布情况,在引入光强后获得了光强与载流子复合速率之间的制约关系,其中PIN反向偏压下的模拟结果为利用PIN结构实现载流子吸收损耗控制提供了有力的理论依据和数据支撑。3.分析了SOI脊形波导内部损耗的主要物理机制,给出了波导侧壁粗糙度引起的散射损耗和自由载流子吸收损耗的控制途径。对于散射损耗,我们重点分析了粗糙度标准差和波导尺寸与散射损耗的关系,指出尺寸一定的波导,可以通过热氧化等工艺降低散射损耗;利用Comsol软件重点分析了SOI脊形波导的本征区宽度、偏置电压以及入射光功率对自由载流子吸收损耗的影响情况,证明利用反向偏压下的PIN结构是解决损耗问题的有效方法,同时指出了这一方法有限的损耗控制能力以及利用正向偏压制作硅调制器的局限性,所获得的模拟结果为确立相关的损耗控制实验方案提供了重要的参考数据。4.基于Fabry-Perot腔理论建立了一种简单有效的SOI光波导损耗测量方法。有异于传统的F-P腔透射功率谱测试,该方法采用端面耦合,通过测试波导反射功率谱并利用傅立叶频谱信息,完成波导损耗的测量,推导中指出了无法直接利用反射谱F-P峰峰谷值求解损耗的限制因素。整个测量系统包括了波导端面实时监视对准部分,从而很好地保证了测量的精度和较高的实验重复性。该测量方法为亚微米SOI脊形波导损耗的研究提供了重要的研究手段,损耗测量结果为今后在相同工艺条件下进行损耗研究确立了基本的衡量标准。5.利用自建的半导体掺杂和测试平台进行了二氧化硅乳胶扩散掺杂的实验,利用该平台实现了SOI脊形波导两侧PIN结的制作。所建掺杂实验平台可以实现硼、磷元素的硅基可控掺杂,测试平台可以实现较高掺杂浓度样品方块电阻的测试;具体实验中,根据本文中波导结构统一的设计要求成功实现了高浓度、浅结深以及高分辨率的一步掺杂,较传统的“二步掺杂法”对硅基底晶格结构破坏更小并且更易控制、成本低且成品率高。实验制备的PIN结构为有关SOI脊形波导非线性损耗控制的进一步研究提供了器件基础。 |
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机械设计
