U201214092_官山宏_硅基亞波長(zhǎng)波導(dǎo)研究

1、附錄1： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文硅基亞波長(zhǎng)波導(dǎo)研究院 系 光學(xué)與電子信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 光電信息工程1201班 姓 名 官山宏 學(xué) 號(hào) U201214092 指導(dǎo)教師 汪毅 2016年 5 月 30日華 中 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管

2、理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日摘 要硅基光波導(dǎo)在光通信和光信號(hào)處理當(dāng)中扮演者重要的角色。隨著人們對(duì)大容量的光通信和快速的光信號(hào)處理的要求的提高，硅基光波導(dǎo)的研究受到廣泛地關(guān)注。其中，絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator）由于具有極低的傳輸損耗，使得以SOI為基礎(chǔ)的光波導(dǎo)器件得

3、到了迅速發(fā)展。對(duì)于普通的光波導(dǎo)，光線會(huì)沿著折射率高的芯層傳播。但是，隨著光波導(dǎo)在集成模塊的應(yīng)用，波導(dǎo)尺寸越來越小，在波導(dǎo)制造過程當(dāng)中，刻蝕所引起的粗糙會(huì)極大的增加波導(dǎo)的損耗。亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的出現(xiàn)減小了刻蝕的粗糙對(duì)波導(dǎo)損耗的影響，同時(shí)也提供給了一種可以定制材料折射率的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本文通過對(duì)硅基亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的研究，對(duì)具體的加工方法進(jìn)行了學(xué)習(xí)，主要包括以下幾個(gè)方面的工作：從亞波長(zhǎng)光柵衍射理論出發(fā)，結(jié)合等效介質(zhì)理論，利用軟件模擬仿真，模擬分析了硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的傳輸特性，模場(chǎng)分布特性，以及色散。分析了硅層厚度為0.26m的SOI亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中TE模和TM模的傳輸損耗。此外，設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了一種亞波長(zhǎng)光

4、柵耦合器，能夠?qū)⒓{米線硅波導(dǎo)當(dāng)中光低損耗地耦合到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中。在器件原型制備方面，完整的介紹了一套完整的硅基亞波長(zhǎng)光柵耦合器的制作過程。在制作過程當(dāng)中，采用電子束曝光以及ICP刻蝕的方法制備器件原型。 關(guān)鍵詞：SOI；亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)；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 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 硅基光波導(dǎo)的發(fā)展11.2 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)21.3 本文工作42 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的分析與仿真52.1 亞波長(zhǎng)光柵簡(jiǎn)介52.2 光波導(dǎo)的導(dǎo)波原理分析62.3 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)分析82.3.1 有限時(shí)域差分法82.3.2 有效介質(zhì)理論92.4 硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的仿真與分析92.5 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)耦合器162.5.1 亞波長(zhǎng)光

11、柵耦合器的設(shè)計(jì)162.6 本章小結(jié)233 SOI亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的制作243.1 微納加工制造流程243.1.1 光刻243.1.2 刻蝕263.2 加工結(jié)果273.3 本章小結(jié)28總結(jié)29致謝31參考文獻(xiàn)32III1 緒論隨著信息化時(shí)代的來臨，人們對(duì)于高的通信速率和快速的信號(hào)處理需求愈加迫切。而傳統(tǒng)的以電子作為信息載體的通信和信號(hào)處理方式已經(jīng)難以滿足日益高漲的需求。而以光子作為信息載體的手段似乎可以解決這一難題，這無疑使得硅基光子學(xué)成為當(dāng)今最為熱門的研究課題之一。1.1 硅基光波導(dǎo)的發(fā)展80年代后期，SOI材料在集成光波導(dǎo)方面的應(yīng)用被發(fā)掘， SOI光波導(dǎo)器件受到廣泛的關(guān)注和研究。硅材料的折射率

12、為3.477，比二氧化硅的1.444要高出很多，這種大的折射率對(duì)比使得SOI光波導(dǎo)很容易將光限制在波導(dǎo)當(dāng)中。納米線波導(dǎo)是一種比較容易制作的波導(dǎo)。而且具有很低的傳輸損耗，這使得納米線波導(dǎo)比較適合用于集成光路里面的光互連和光傳輸。但是當(dāng)彎曲半徑較小時(shí)，彎曲的納米線波導(dǎo)的損耗較大，在應(yīng)用中應(yīng)盡量避免。由于硅與二氧化硅、空氣的折射率相差較大，使得光線很容易被限制在波導(dǎo)當(dāng)中。但是納米線波導(dǎo)的高折射率差同樣會(huì)導(dǎo)致在波導(dǎo)核心與包層的交界處散射較大。擁有高折射率差的脊形波導(dǎo)可以使用大的有效截面來減小在輻射損耗。大有效截面的脊型直光波導(dǎo)的輻射損耗基本可以忽略不計(jì)1。輻射損耗主要有兩個(gè)來源：一個(gè)是由波導(dǎo)的彎曲帶來

13、的輻射損耗；另一個(gè)是在制作過程中造成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)畸變帶來的。彎曲損耗與彎曲的曲率半徑有關(guān)，彎曲的曲率半徑越小，彎曲損耗越大。除此之外，對(duì)于截面面積較小的光波導(dǎo)，波導(dǎo)截面尺寸的減小會(huì)使得波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的限制減弱，從而加大波導(dǎo)的輻射損耗。在狹縫波導(dǎo)中，將普通的光波導(dǎo)的中心使用低折射率材料來取代，在低折射率區(qū)獲得較強(qiáng)的光場(chǎng)1。對(duì)狹縫波導(dǎo)而言，通過使用核心面積足夠小的波導(dǎo)使波導(dǎo)模式移位從而使芯包邊界場(chǎng)強(qiáng)下降，或者是利用散射輻射固有的干擾作用來減小散射率2, 3。在實(shí)際的納米光子線路當(dāng)中，硅波導(dǎo)的損耗的變化是一個(gè)值得注意的問題。在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用減小垂直側(cè)壁高度的方法來優(yōu)化納米線波導(dǎo)的TE模性能，但是這種優(yōu)化之后

14、的結(jié)構(gòu)不再支持TM模，而且這種波導(dǎo)插入損耗十分嚴(yán)重。另外一種研究得較多的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是周期性光子晶體波導(dǎo)。光子晶體波導(dǎo)具有損耗低，尺寸小，以及零彎曲損耗的優(yōu)點(diǎn)4。目前光子晶體波導(dǎo)的研究重點(diǎn)主要是在微結(jié)構(gòu)直徑為有效波長(zhǎng)二分之一的光子晶體上面。但是光子晶體波導(dǎo)存在與波長(zhǎng)和偏振相關(guān)的損耗。1.2 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)衍射效應(yīng)是光或者是聲波在尺寸小于有效波長(zhǎng)一半的結(jié)構(gòu)當(dāng)中受到限制的一種現(xiàn)象。在19世紀(jì)后期，一種由很細(xì)的平行金屬網(wǎng)格制成的偏振器問世。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在微波爐里面，用來吸收微波。還有就是在聲學(xué)消聲室里面，墻壁上面覆蓋一層錐體吸收材料，從而減少反射現(xiàn)象。在20世紀(jì)60年代，人類第一次觀察到了波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)現(xiàn)

15、象。一種在夜間活動(dòng)的飛蛾通過減少角膜對(duì)光的反射來保護(hù)自身不被捕食者發(fā)現(xiàn)。之后就開始了亞波長(zhǎng)光柵光學(xué)的研究。在此之后，基于亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的雙折射材料、抗反射涂層以及窄帶濾波器相繼問世。隨著亞波長(zhǎng)光柵應(yīng)用的發(fā)掘，一種分析亞波長(zhǎng)光柵衍射現(xiàn)象的有效均勻介質(zhì)理論被提出來。在入射光波長(zhǎng)要大于光柵周期的時(shí)候，除了零級(jí)衍射光之外，其他的衍射級(jí)次均被抑制，在這種情況下，光柵結(jié)構(gòu)可以近似看為一種有效地均勻介質(zhì)5。硅光子技術(shù)可以依靠整套硅基微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的制造基礎(chǔ)設(shè)施。在摩爾定律的推動(dòng)下，CMOS制造工藝有望能大幅度地減少光子器件的成本。在這些優(yōu)勢(shì)條件下，亞波長(zhǎng)量級(jí)的硅基光學(xué)器件有望得到迅速的發(fā)展，達(dá)到傳統(tǒng)光學(xué)之前

16、難以達(dá)到的水平。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抗反射光學(xué)薄膜。在材料表面增加一層尺寸為幾百個(gè)納米的錐形整列，可以減少材料表面的反射率。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)還可以做成雙折射材料。將不同的材料在亞波長(zhǎng)量級(jí)上面組成的交替的薄層，這樣制造的材料可以產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。例如，將由厚度小于波長(zhǎng)的硅和二氧化硅薄片交替疊加，就可以組成一種人工制造的雙折射材料6。這種人造的雙折射材料可以在陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器當(dāng)中用作偏振補(bǔ)償器。在硅波導(dǎo)的端面加上亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)還可以制成高反射率的亞波長(zhǎng)光柵反射面。在垂直腔面發(fā)射激光器里面，使用高反射率光柵結(jié)構(gòu)替代頂端的分布式布拉格反射光柵。在亞波長(zhǎng)光柵的周期結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)光柵周期小于有效半波長(zhǎng)的時(shí)

17、候，光在里面的傳輸類似于在均勻介質(zhì)當(dāng)中的傳輸。由于在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中的波導(dǎo)核心由兩種材料構(gòu)成，通過改變這兩種材料的組成比例，就可以改變波導(dǎo)的有效核心折射率。由于亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過計(jì)算，采用具有相反的溫度系數(shù)的材料，控制材料的比例，就可以得到消熱差波導(dǎo)7。同樣的，也可以對(duì)波導(dǎo)的色散進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)設(shè)計(jì)的波導(dǎo)十字通道8具有損耗低，串?dāng)_小的優(yōu)點(diǎn)。采用啁啾的光柵結(jié)構(gòu)，通過改變光柵的占空比，逐漸改變波導(dǎo)的有效折射率。亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中模式會(huì)該發(fā)生偏移，而且在交叉處亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的有效折射率差比納米線硅波導(dǎo)要低，減小了光與交叉結(jié)構(gòu)的相互作用。亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)還可以用于

18、光纖和納米線波導(dǎo)之間的耦合連接。采用亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的耦合器的耦合損耗可以低至-1dB，比于傳統(tǒng)的反錐形耦合器的耦合損耗要低，而且具有更高的耦合帶寬。亞波長(zhǎng)光柵耦合器的寬度是反錐形耦合器尖端寬度的3倍以上，在耦合器的寬度改變50個(gè)納米的情況下，損耗只有-0.1dB的改變9。所以在實(shí)際的加工過程當(dāng)中更加容易獲得符合高耦合效率要求的器件。另外一種采用亞波長(zhǎng)圖案表面的光柵耦合器是用于垂直耦合。采用切趾技術(shù)后，與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖場(chǎng)分布的重疊積分可以達(dá)到95%。耦合效率達(dá)到50%以上。此外，還有太赫茲基礎(chǔ)全光開關(guān)器件，偏振片，零色散定向耦合器，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)透鏡，亞波長(zhǎng)光柵解復(fù)用器等一系列的使用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

19、的器件。亞波長(zhǎng)光柵皆有由于其獨(dú)特的性質(zhì)以及能夠很容易實(shí)現(xiàn)的有效折射率的設(shè)計(jì)使得其發(fā)展迅速起來，同時(shí)也為集成光學(xué)帶來了新的可能性。1.3 本文工作本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）介紹亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)優(yōu)點(diǎn)，以及亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的應(yīng)用和發(fā)展。（2）介紹亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的研究方法。從光波導(dǎo)的導(dǎo)波理論出發(fā)，利用軟件仿真，建立硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)模型。并對(duì)其傳輸特性，模場(chǎng)分布，偏振相關(guān)損耗，以及群速度色散進(jìn)行了仿真分析。（3）設(shè)計(jì)了一種納米線波導(dǎo)到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的高效率的耦合器。采用SOI為基底，并且對(duì)基模有較高的耦合效率。在仿真結(jié)果當(dāng)中，耦合器在入射光源波長(zhǎng)為1550nm附近工作時(shí)，TE模的耦合效率可以達(dá)到95

20、%以上，TM模耦合效率可以達(dá)到80%左右。（4）對(duì)仿真優(yōu)化得到的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加工制造。在實(shí)驗(yàn)室的微納制造工藝平臺(tái)，采用先進(jìn)的電子束曝光和ICP刻蝕法制造器件原型，并測(cè)試加工出來的器件尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的偏差。2 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的分析與仿真亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用由來已久。上世紀(jì)80年代，已經(jīng)出現(xiàn)了亞波長(zhǎng)抗反射光柵以及同樣是亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)制成的窄帶濾波器?，F(xiàn)如今，國(guó)外關(guān)于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的硅基波導(dǎo)以及有了諸多的報(bào)道。與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)一同出現(xiàn)的包括諸多的利用亞波長(zhǎng)折射率工程的實(shí)際組件包括：漸變折射率波導(dǎo)交叉，光纖芯片耦合器，消熱差波導(dǎo)，波導(dǎo)復(fù)用器以及太赫茲光開關(guān)等。這些亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)器件的出現(xiàn)為光集成帶來重要影響。2

21、.1 亞波長(zhǎng)光柵簡(jiǎn)介在傳統(tǒng)光學(xué)當(dāng)中，主要使用的光學(xué)元件包括透鏡，棱鏡，反射鏡等。利用的是光的折射和反射的特點(diǎn)。在使用這些光學(xué)元件的時(shí)候，人們盡量避免衍射效應(yīng)給光學(xué)系統(tǒng)帶來的不好的影響。但是隨著集成光學(xué)的發(fā)展，大規(guī)模的光學(xué)元件的集成受到人們的重視。這個(gè)時(shí)候，人們才開始關(guān)注衍射光學(xué)元件的研究。衍射光學(xué)元件具有許多傳統(tǒng)的折反射光學(xué)元件所不具備的優(yōu)點(diǎn)。首先，衍射光學(xué)元件一般體積較小，相應(yīng)的其質(zhì)量也較輕。其次，衍射光學(xué)元件的光路更加容易控制。衍射光學(xué)器件與傳統(tǒng)的光學(xué)器件不同，它是通過在空間結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)介質(zhì)的分布從而達(dá)到控制光傳播特性的目的10。由于衍射光學(xué)元件具有傳統(tǒng)光學(xué)元件所不具備的體積小，重量輕，光路

22、控制容易等特點(diǎn)。這使得衍射光學(xué)元件十分適合于集成光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中。光柵作為一種衍射光學(xué)元件，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到光集成、光通信以及光譜儀當(dāng)中。光柵是一種具有周期性空間結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。光柵周期遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)的時(shí)候，入射光將產(chǎn)生多個(gè)級(jí)次的衍射光，此種情況適合采用標(biāo)量理對(duì)光柵進(jìn)行分析。當(dāng)光柵尺寸與入射光波長(zhǎng)尺寸相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，適合采用矢量理論對(duì)光柵進(jìn)行分析。當(dāng)光柵尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)的時(shí)候，可以采用等效折射率法研究。大多數(shù)的光學(xué)材料中的原子或分子的結(jié)構(gòu)看起來很小，在其中的傳播的光可能主要受其折射率影響。當(dāng)對(duì)象具有比光的波長(zhǎng)大的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過衍射、 折射和反射定律描述及其對(duì)光的傳播的影響。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)處在這兩種極

23、端機(jī)構(gòu)之間。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)太小，不能上升到衍射層面，但是作為介質(zhì)也因?yàn)樘蠖荒芤暈閲?yán)格均勻的介質(zhì)，但是可以通過麥克斯韋電磁方程嚴(yán)格求解5。2.2 光波導(dǎo)的導(dǎo)波原理分析光的本質(zhì)是電磁場(chǎng)。要分析光在波導(dǎo)當(dāng)中的傳輸特點(diǎn)，可以采用描述電磁波傳播規(guī)律的麥克斯韋方程組對(duì)其進(jìn)行分析。麥克斯韋方程組的微分形式如下 式中， 、 、 、 和分別表示電場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度，電位移，電流密度和電荷密度。t 代表時(shí)間。當(dāng)光在SOI光波導(dǎo)當(dāng)中傳播時(shí)，而且。為了求出 、 、和 各個(gè)量，還需要知道， 和 ， 和 之間的關(guān)系。他們之間的關(guān)系與電磁場(chǎng)所在的介質(zhì)特性有關(guān)，。其關(guān)系可以表達(dá)為： 式中， 和 分別代表真空當(dāng)中的介

24、電常數(shù)和導(dǎo)磁率，分別是 和。 和 分別代表介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率。在SOI波導(dǎo)中， 一般不隨空間變化，視為常數(shù)1。利用式和化簡(jiǎn)麥克斯韋方程組，結(jié)果如下 利用麥克斯韋方程組得到波動(dòng)方程，再?gòu)那蠼獠▌?dòng)方程和運(yùn)用邊界條件得到所需結(jié)果。利用矢量分析法及式，可以得到 由式和式可得 比較式和式，即 類似的，對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度也有類似的 由式和式可知，只要知道波導(dǎo)介質(zhì)的介電常數(shù)，就可以得到電磁場(chǎng)的空間分布，結(jié)合時(shí)間的諧波形式，就可以得到其具體的表達(dá)形式。2.3 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)分析采用麥克斯韋方程組求解復(fù)合三維結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的解析解較為困難。所以采用解析解法不大現(xiàn)實(shí)。除了采用求解解析解的方法外，另外一種依靠數(shù)值分析

25、的分析方法更加直接有效。2.3.1 有限時(shí)域差分法有限差分法能夠?qū)⑼ㄟ^轉(zhuǎn)化，通過求解代數(shù)方程組和本征值的方法來求解微分方程的邊值問題，從而得到數(shù)值解。采用有限差分法來求解非均勻折射率分布的波導(dǎo)十分方便。要采用有限元方法首先要將需要求解的區(qū)域分割成一系列的小區(qū)域，然后將每一個(gè)小區(qū)間的場(chǎng)分布用一個(gè)含有不定系數(shù)的通解表示出來。值得提出的是，區(qū)間的劃分會(huì)影響計(jì)算的結(jié)構(gòu)的精度，但是劃分得太過仔細(xì)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過大，所以在使用有限元法分析問題時(shí)需要選取合適的區(qū)間劃分，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化較快的區(qū)間，可以劃分細(xì)致一點(diǎn)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化不是太快的區(qū)間，可以適當(dāng)加大劃分的區(qū)間。其次，根據(jù)邊值問題建立有限個(gè)待定參量的代

26、數(shù)方程組。然后通過場(chǎng)分量的邊界連續(xù)條件，將所有劃分出來的區(qū)間的場(chǎng)的各個(gè)分量函數(shù)聯(lián)立，再利用整個(gè)區(qū)間邊界條件的連續(xù)性，就可以獲得全部要求解的區(qū)間的待定代數(shù)方程組。最后，通過求解之前得到的代數(shù)方程組，就能求得所需要的特征值和場(chǎng)解。1966年Yee首次提出了一種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的新方法，稱為時(shí)域有限差分法(finite- different time-domain, FDTD)，是一種基于時(shí)間域的仿真方法11。其核心的是將電場(chǎng)和磁場(chǎng)首先在時(shí)間域做離散，然后在空間上通過名叫Yee cell的小方塊，將麥克斯韋方程里面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分解到不同的位置。在三維的情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)一共有六個(gè)分量 、和，這六個(gè)分量

27、均不在同一位置。通常情況下，F(xiàn)DTD方法是把麥克斯韋方程組在時(shí)間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分化。通過分別計(jì)算每一個(gè)劃分區(qū)間電磁場(chǎng)的方法，對(duì)整個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別進(jìn)行計(jì)算，通過時(shí)域上更新來模擬電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布，從而達(dá)到在數(shù)值上計(jì)算的目的。2.3.2 有效介質(zhì)理論采用求解麥克斯韋方程組的方法來分析亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中光的傳輸不僅十分復(fù)雜，而且也并非必須。通過近似的方法，將亞波長(zhǎng)光柵等效為一種均勻有效折射率材料的方法，不僅僅簡(jiǎn)化了分析求解過程，而且精度也足以滿足需求。光在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中傳輸時(shí)，由于亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)較普通原子或分子更大，所以光在其中傳輸不是直接受到其折射率影響，但是作為介質(zhì)也因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)略小于波

28、長(zhǎng)而不受衍射，折射和反射的影響。這種情況下，采用有效介質(zhì)理論分析具有更加簡(jiǎn)單，快捷的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)光在如圖2.1 的周期結(jié)構(gòu)當(dāng)中傳播的時(shí)候，如果結(jié)構(gòu)的周期與有效波長(zhǎng)的一半相當(dāng)，那么光的傳輸就在色散平坦區(qū)域，處在光子帶隙范圍內(nèi)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期要小于有效波長(zhǎng)一半的時(shí)候，光是在線性色散區(qū)間傳輸，在這種情況下，這種周期結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與均勻有效介質(zhì)一樣的特性12，可以采用有效折射率理論進(jìn)行分析。圖2.1 光在周期結(jié)構(gòu)當(dāng)中的傳播132.4 硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的仿真與分析硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的仿真主要是計(jì)算波導(dǎo)當(dāng)中的模式特性和損耗。本文主要通過軟件仿真，分析硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的模式分布，并將其損耗、模式分布等特性與等效線

29、波導(dǎo)相比較。模擬仿真的硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2所示。采用SOI襯底，掩埋氧化層的厚度為2m，硅層的厚度為0.26m。上包層采用二氧化硅，厚度為2m。整個(gè)波導(dǎo)的核心由周期性分布的硅（n=3.476）和二氧化硅(n=1.444)組成。在硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中，光柵的周期，占空比都是經(jīng)過設(shè)計(jì)來避免因布拉格散射而形成的駐波和在 = 1550 nm波長(zhǎng)附近的開放帶隙帶來的影響。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，選取以下結(jié)構(gòu)參數(shù): 光柵間距= 300nm，其中波導(dǎo)核心寬度w=300nm，硅段長(zhǎng)度a=150nm14。整個(gè)硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的長(zhǎng)度為10m。圖2.2硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖15采用FDTD sol

30、utions對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。采用完全匹配層(perfectly Matched Layer, PML)邊界條件。PML對(duì)入射波具有很好的吸收效果，PML層中的透射波迅速衰減16。仿真光源采用TE模式光源，光源尺寸為2m，波長(zhǎng)范圍為1.48m到1.58m。得到的波導(dǎo)截面的模式分布圖如圖2.3所示。圖2.4是沿著光傳播方向的TE模的場(chǎng)分布。圖2.3 = 300nm ，w=300nm， a=150nm硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)模式分布圖圖2.4 沿光柵方向的場(chǎng)分布圖采用等效介質(zhì)理論，根據(jù)長(zhǎng)周期光柵的結(jié)論：周期波導(dǎo)的折射率差 與均勻波導(dǎo)的有效折射率差 滿足 5。其中 是占空比，在本文模型當(dāng)中為50%?，F(xiàn)在

31、進(jìn)行初步的計(jì)算，認(rèn)為有，那么由硅和上包層采用二氧化硅組成的亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的包層折射率 ，核心的等效折射率為 。等效波導(dǎo)原理圖如圖2.5所示。圖2.5 等效線波導(dǎo)示意圖15根據(jù)上述分析得到的結(jié)果，同樣使用FDTD solutions 對(duì)上述等效線波導(dǎo)進(jìn)行仿真。與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)相同，等效線波導(dǎo)也是采用SOI襯底。掩埋氧化層的厚度為2m，波導(dǎo)芯的高度為0.26m，上包層采用二氧化硅，厚度為2m，線波導(dǎo)的寬度為0.3m。分析等效線波導(dǎo)的模式分布，其模式分布如圖2.4所示。比較圖2.3和圖2.6，等效波導(dǎo)的模場(chǎng)分布與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的模場(chǎng)分布一樣發(fā)生了偏移。 圖2.6等效線波導(dǎo)模式分布使用MODE sol

32、utions當(dāng)中的FDE（finite difference engine）solver 對(duì)硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的其他一些性能進(jìn)行分析。如圖2.7為亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)與納米線硅波導(dǎo)的群速度色散曲線。光在亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)當(dāng)中以布洛赫模式傳輸，布洛赫模式的群速度可以從下圖的色散曲線的斜率得來。從圖中可以看出，當(dāng)入射光的頻率超過200THz之后，波數(shù)隨頻率的增加急劇增加。 圖2.7 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)與納米線硅波導(dǎo)群速度色散如圖2.8是亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中TE模和TM模的群折射率曲線。在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中，TE和TM模的群折射率 是波長(zhǎng)的函數(shù)。在波長(zhǎng)范圍為1.48m到1.58m的范圍內(nèi)，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。計(jì)算得到的波導(dǎo)的群折射率和波導(dǎo)模式的有效折射率相差不大，這表明光在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中傳輸?shù)臅r(shí)候沒有慢光效應(yīng)或者是光柵諧振效應(yīng)。圖2.8亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)TE模和TM模群折射率曲線使用MODE solutions對(duì)硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)分析其傳輸損耗，其尺寸與上述尺寸相同。如圖2.9所示是亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)在1.48m到1.58m波長(zhǎng)范圍內(nèi)TE模和TM模的損耗曲線。圖2.9硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)TE模與TM模損耗曲線從圖2.9可以看出，在1.55m波段，硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中,TE模的傳輸損耗為0.00042dB/cm，TM模的傳輸損耗為0.00034dB/cm。在1.55

34、m波長(zhǎng)附近，TE模與TM模的傳輸損耗接近于0。對(duì)于亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)來說，光在傳輸1cm的距離當(dāng)中，在折射率差達(dá)到1.9的兩種材料之間穿過三萬多次，而且損耗可以接近于0，在波導(dǎo)方面有很好的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的納米線硅波導(dǎo)在優(yōu)化TE模性能之后損耗可以低到1.5dB/cm左右，但是這種優(yōu)化之后的納米線硅波導(dǎo)是通過減少垂直側(cè)壁高度的方法來優(yōu)化TE模性能，雖然能將TE模的傳輸損耗降低，但是，優(yōu)化之后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不再支持TM模的傳輸。典型的線缺陷光子晶體波導(dǎo)的傳輸損耗在6dB/cm左右，而且存在波長(zhǎng)和偏振相關(guān)的損耗。與納米線波導(dǎo)不同，理想的硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的傳輸損耗基本上可以忽略不計(jì)。但是硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)不僅

35、僅支持TE模的傳輸，而且同樣支持TM模的傳輸。對(duì)于TE模和TM模兩種不同的模式，傳輸損耗基本上沒有差別。不會(huì)像典型線缺陷光子晶體一樣存在明顯的偏振相關(guān)損耗。波導(dǎo)損耗的來源一般包括以下幾個(gè)方面：散射損耗，吸收損耗，彎曲損耗。為大家所熟知的是，波導(dǎo)散射損耗在直波導(dǎo)的損耗當(dāng)中占主要地位。散射損耗大體上可以分為兩種：體散射損耗和表面散射損耗。在SOI襯底的硅基光波導(dǎo)當(dāng)中，組成波導(dǎo)核心的硅的缺陷和雜質(zhì)是體散射損耗的主要來源。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以獲得純度非常高，缺陷也非常少的硅，所以體散射損耗對(duì)于硅基光波導(dǎo)的影響較小。相對(duì)于體散射損耗來說，表面散射損耗對(duì)硅基光波導(dǎo)損耗的影響要大得多。在硅基光

36、波導(dǎo)的散射損耗當(dāng)中，表面散射損耗占據(jù)主要的地位17。硅基光波導(dǎo)的表面散射損耗與制作過程當(dāng)中造成的波導(dǎo)表面粗糙程度有關(guān)。一般硅基光波導(dǎo)是采用刻蝕加工而成，這就使得光波導(dǎo)的表面會(huì)因?yàn)榭涛g的速率不一致導(dǎo)致表面比較粗糙，這也正是硅基光波導(dǎo)損耗來源之一。硅基波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，能夠減小由波導(dǎo)表面的粗糙所引起的散射損耗。從圖2.3可以看出，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的模式分布與普通的納米線硅波導(dǎo)不同。相較于普通的納米線硅波導(dǎo)，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的模式發(fā)生了移位。模式偏離波導(dǎo)的核心造成核心和包層處的場(chǎng)強(qiáng)得到削弱，從而降低了與側(cè)壁粗糙相互作用的光場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而降低了散射損耗。其次，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的核心采用的是空間

37、上周期分布的硅和二氧化硅組成，所以也減少了光場(chǎng)與粗糙側(cè)壁的作用距離，降低了散射損耗。所以從理論上來看，實(shí)際制作出來的亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的損耗能夠比線波導(dǎo)更低。2.5 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)耦合器由于集成光子學(xué)的發(fā)展，許多采用SOI襯底的光子器件被研究開發(fā)出來。硅基光子學(xué)需要將這些器件有效地連接起來。并且光在這些器件轉(zhuǎn)換的時(shí)候能有最高的效率。這個(gè)時(shí)候需要在不同的器件之間采用一個(gè)過渡的結(jié)構(gòu)將光連通到其他的器件當(dāng)中。耦合器在集成光子學(xué)當(dāng)中就扮演著溝通不同的器件的角色。耦合器有多種結(jié)構(gòu)，包括外形上采用倒錐形的錐形耦合器和設(shè)計(jì)折射率分布的梯度折射率結(jié)構(gòu)。一般情況下，采用三維結(jié)構(gòu)的耦合器的耦合效率要高于二維結(jié)構(gòu)的耦合

38、器，但是三維結(jié)構(gòu)的耦合器無論是在耦合器的設(shè)計(jì)還是制作方面都要比二維的耦合器要復(fù)雜，工藝要求也更高。2.5.1 亞波長(zhǎng)光柵耦合器的設(shè)計(jì)現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一個(gè)耦合器，將SOI襯底的納米線波導(dǎo)的光耦合到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中去。納米線波導(dǎo)的寬度為450nm，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的寬度采用與納米線波導(dǎo)相同的寬度。在光柵周期為400nm，由于亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中場(chǎng)分布與納米線波導(dǎo)當(dāng)中的場(chǎng)分布不同，納米線波導(dǎo)當(dāng)中場(chǎng)主要集中在由硅組成的核心當(dāng)中，與納米線波導(dǎo)不同，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中的模式分布發(fā)生移位，在核心區(qū)域場(chǎng)較弱，主要分布在核心兩側(cè)。采用直接連接的耦合方式會(huì)造成較大的損耗。所以需要一個(gè)過渡的耦合器結(jié)構(gòu)將納米線波導(dǎo)當(dāng)中的光耦

39、合到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中。光柵耦合器可以通過光柵的衍射作用，將光線耦合到波導(dǎo)當(dāng)中。耦合器主要用于解決光的耦合過程當(dāng)中由于模式的失配和折射率不匹配對(duì)耦合效率的影響。最初的耦合器的原型是采用在納米線波導(dǎo)的兩側(cè)加上亞波長(zhǎng)光柵的鋸齒結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2.10 所示。圖2.10 耦合器結(jié)構(gòu)示意圖采用上述的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)光柵耦合器，將納米線波導(dǎo)的兩側(cè)刻蝕成為與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)有相同周期和占空比的鋸齒結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合仿真，耦合效率僅有50%左右。分析其損耗原因如下：在納米線波導(dǎo)與此耦合器的連接處，由于中心線波導(dǎo)寬度的突然減小，會(huì)造成一部分的能量輻射到包層當(dāng)中，造成損耗。與之相對(duì)應(yīng)的，在此結(jié)構(gòu)與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)連

40、接處，線波導(dǎo)完全被亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的取代會(huì)造成能量的損耗。針對(duì)耦合過程當(dāng)中上述問題，可以采用在耦合器部分加入錐形結(jié)構(gòu)的方法來解決。在現(xiàn)在廣泛使用的光纖芯片耦合器當(dāng)中，這種倒錐形的結(jié)構(gòu)常有出現(xiàn)。錐形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得耦合效率有較大的提升。錐形耦合器的加入使得線波導(dǎo)的寬度緩慢變化，直到達(dá)到一個(gè)特定的寬度。在硅基光子器件加工技術(shù)方面，加工尖端寬度為0.1m的錐形是比較容易達(dá)到的，而且寬度為0.1m的線波導(dǎo)在難以對(duì)光產(chǎn)生限制作用，經(jīng)過改進(jìn)后的耦合器加入了錐形結(jié)構(gòu)，其原理如圖2.11 所示圖2.11 加入錐形結(jié)構(gòu)后的耦合器模型采用了錐形結(jié)構(gòu)之后，耦合器的效率有所提升。錐形結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其截面積逐漸減小，納米線波導(dǎo)

41、當(dāng)中的模逐漸泄露到亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)當(dāng)中。錐形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)耦合器的效率產(chǎn)生影響，一般情況下，耦合長(zhǎng)度越長(zhǎng)，耦合效率應(yīng)該越高。但是一味地增加錐形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度會(huì)造成耦合器的尺寸過大，不利于光子學(xué)器件的集成?，F(xiàn)在改變錐形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，模擬不同長(zhǎng)度的柱形結(jié)構(gòu)的耦合效率。模擬耦合器的錐形結(jié)構(gòu)的尖端為0.1m，分別對(duì)錐形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為5m，10m，15m，20m的耦合器的耦合效率進(jìn)行了仿真。結(jié)果見圖2.12 圖2.12 錐形結(jié)構(gòu)不同長(zhǎng)度L對(duì)能量輸出比值的影響從圖中結(jié)果可以看出，隨著錐形結(jié)構(gòu)的增加，耦合輸出能量比例也更大。但是當(dāng)耦合器長(zhǎng)度達(dá)到15m以上后，再增加錐形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，耦合效率的增加緩慢，分析所得的結(jié)果，耦合

42、器當(dāng)中的錐形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度在15m到20m范圍內(nèi)效果比較理想，而且不會(huì)使耦合器的整個(gè)的結(jié)構(gòu)太大。在與錐形結(jié)構(gòu)疊加的亞波長(zhǎng)光柵部分，為了減小與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)之間的折射率差，光柵的占空比采用與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)一樣的占空比，為50%。對(duì)于重疊區(qū)域光柵的周期對(duì)耦合效率的影響進(jìn)行了分析。分別選取重疊區(qū)周期為0.2m，0.3m以及0.4m的光柵耦合器對(duì)其耦合效率進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖2.13 ，橫坐標(biāo)是光柵周期，縱坐標(biāo)是錐形端輸出的能量與輸入端能量比。圖2.13 耦合器不同的光柵周期對(duì)輸出能量的影響從圖中可以看出，光柵周期對(duì)耦合器輸出效率有較大的影響，在亞波長(zhǎng)光柵的周期為0.2m的時(shí)候，透過光柵和錐形結(jié)構(gòu)的能

43、量能達(dá)到97%，當(dāng)光柵周期繼續(xù)加大到0.3m時(shí)，透過的能量有較少的趨勢(shì)，當(dāng)光柵周期繼續(xù)增大到0.4m之后，輸出能量比例急劇下降。所以在耦合器的設(shè)計(jì)當(dāng)中采用周期為0.2m的光柵結(jié)構(gòu)與錐形結(jié)構(gòu)疊加。仿真過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，由錐形結(jié)構(gòu)之后直接連接到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的過程當(dāng)中，損耗較大，從錐形結(jié)構(gòu)尖端輸出的能量能達(dá)到入射能量的95%以上，但是在直接連接的亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中傳輸3m左右之后，能量只剩下85%左右，所以需要進(jìn)一步優(yōu)化從錐形結(jié)構(gòu)尖端到亞波長(zhǎng)光柵部分的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)在使用較多的光纖芯片耦合器當(dāng)中，有使用非均勻光柵制作的耦合器，而且這種非均勻光柵結(jié)構(gòu)的耦合器的耦合效率也非常高。在1550nm波長(zhǎng)，普通單模光

44、纖到硅波導(dǎo)的耦合效率可以達(dá)到93%18。在這種非均勻光柵耦合器的啟發(fā)下，現(xiàn)在嘗試在所設(shè)計(jì)的耦合器當(dāng)中加入非均勻的光柵結(jié)構(gòu)來提高耦合效率。在現(xiàn)在設(shè)計(jì)的耦合器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將錐形結(jié)構(gòu)之后與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)相連的部分改為非均勻的光柵結(jié)構(gòu)。為了減小光柵周期和其中硅片的長(zhǎng)度突變對(duì)耦合效率的影響， 在非均勻光柵與錐形結(jié)構(gòu)末尾連接處縮小光柵的周期，占空比適當(dāng)減小。在過渡到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的非均勻光柵部分，非均勻光柵的周期和占空比均在緩慢增加直到與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的周期相同。其原理圖如圖2.14 圖2.14 耦合器當(dāng)中非均勻光柵部分對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)之后的耦合器的效率進(jìn)行仿真，在入射波長(zhǎng)為1.5m到1.6m的范圍內(nèi)，分別對(duì)

45、TE模和TM模的耦合效率進(jìn)行模擬仿真，得到的結(jié)果如圖2.15 所示。圖2.15 1.5m到1.6m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，耦合器對(duì)TE模與TM模的耦合效率耦合器各個(gè)部位的場(chǎng)分布如圖2.16所示。cbda 輸入端線波導(dǎo)處場(chǎng)分布b 錐形結(jié)構(gòu)中部場(chǎng)分布c 錐形結(jié)構(gòu)末端場(chǎng)分布d 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)處場(chǎng)分布圖2.16 耦合器當(dāng)中各個(gè)位置的場(chǎng)分布從圖2.15 可以看到，在入射波長(zhǎng)為1.5m到1.6m的范圍內(nèi)，所涉及的耦合器對(duì)TE模的耦合效率在95%以上，TM模的耦合效率在80%左右。對(duì)于通信使用的波長(zhǎng)為1.55m耦合效率，TE模耦合效率為95%，TM模的耦合效率為78%。對(duì)于TE模耦合效率要遠(yuǎn)高于TM模的耦合效率的原因有

46、如下分析：1、整個(gè)波導(dǎo)當(dāng)中，納米線波導(dǎo)的寬度為0.45m，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的寬度為0.35m ，而SOI襯底當(dāng)中的硅層厚度僅為0.26m，這導(dǎo)致波導(dǎo)當(dāng)中對(duì)于TE模和TM模的限制效果不同；2、耦合器當(dāng)中的錐形結(jié)構(gòu)僅僅在寬度的方向上面有尺寸的變化，可以減緩TE模當(dāng)真的電場(chǎng)的泄露，但是在高度方向上面尺寸并沒有變化，所以對(duì)于TM模當(dāng)中的電場(chǎng)的泄露并沒有減緩作用，也就是說錐形結(jié)構(gòu)的加入對(duì)TM模的耦合效率的作用達(dá)不到對(duì)TE模的耦合效率的優(yōu)化效果。2.6 本章小結(jié)本章對(duì)亞波長(zhǎng)光柵進(jìn)行了介紹。然后從麥克斯韋方程組出發(fā)對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)波原理進(jìn)行了分析。對(duì)亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的研究方法做了介紹，包括有限時(shí)域差分法，和有效介質(zhì)

47、理論。接著采用FDTD solutions對(duì)硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)進(jìn)行了仿真分析。仿真的硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的氧化掩埋層厚度為2m，波導(dǎo)核心有亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)組成，亞波長(zhǎng)光柵的高度為0.26m，光柵周期為0.3m，寬度為0.3m，占空比是50%。在上表面覆蓋一層厚度為2m的二氧化硅。仿真分析了TE模和TM模在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中的模場(chǎng)分布，并且模擬了這種亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的等效波導(dǎo)當(dāng)中的場(chǎng)分布。對(duì)TE模和TM模在亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)當(dāng)中的傳輸損耗進(jìn)行了仿真分析，在理想條件下，TE模和TM模的傳輸損耗幾乎為零。為了解決從納米線波導(dǎo)到亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的耦合問題，設(shè)計(jì)了一種亞波長(zhǎng)光柵耦合器，并且對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化。耦合器

48、總長(zhǎng)度為24m。其中連接納米線波導(dǎo)段的寬度為0.45m，錐形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為16m，非均勻光柵長(zhǎng)度為8m。最后仿真得到亞波長(zhǎng)光柵耦合器在波長(zhǎng)范圍在1.5m到1.6m的范圍內(nèi)，對(duì)TE模的耦合效率為0.95，對(duì)TM模的耦合效率為0.8左右。3 SOI亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的制作3.1 微納加工制造流程要將所設(shè)計(jì)的硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)加工出來，首先要了解微納加工制造的基本流程。完整的過程包括以下幾個(gè)步驟19：硅片表面的清洗烘干、涂底、光刻膠的涂覆、軟烘、邊緣光刻膠的去除、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、光刻膠的顯影和定影、硬烘、刻蝕、去膠以及圖形檢測(cè)。3.1.1 光刻光刻是通過一系列的步驟，將所設(shè)計(jì)的掩模板的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上面，

49、在此之后，襯底表面會(huì)留下帶有掩模板圖形的薄膜。1. 硅片清洗烘干硅片的清洗是為了除去硅片表面的顆粒、有機(jī)物、工藝殘余等污染物。并減少表面的缺陷。清洗的方法可以采用高壓氮?dú)獯迪矗瘜W(xué)濕法清洗，超聲波清洗以及去離子水沖洗，一般情況下可以采用多種方法清洗，使得清洗效果更好。而烘干可以去除水蒸氣，使硅表面由親水性變?yōu)樵魉?，增?qiáng)光刻膠在表面的粘附性。烘干一般使用110攝氏度的溫度進(jìn)行低溫烘干。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下烘干1到2分鐘。低溫烘干的優(yōu)點(diǎn)使溫度比較容易達(dá)到，而且烘干之后硅片可以快速冷卻下來，減少了冷卻期間其他污染物再次附著上去的可能性。2. 涂底涂底是為了增強(qiáng)硅表面光刻膠的粘附性。在對(duì)硅片進(jìn)行清洗烘

50、干之后，在硅表面涂上一層增黏劑。3. 光刻膠的涂覆在涂底之后，在硅表面涂上一層光刻膠薄膜。涂膠的方法一般有兩種，靜態(tài)涂膠和動(dòng)態(tài)涂膠。涂膠之前先將材料固定在支撐架上面。靜態(tài)涂膠是在在硅片靜止時(shí)將光刻膠涂在硅表面，然后加速旋轉(zhuǎn)，是光刻膠均勻的分布在表面。動(dòng)態(tài)涂膠是在平臺(tái)低速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候講光刻膠滴在硅表面，然后加速旋轉(zhuǎn)，利用產(chǎn)生的離心力使光刻膠在硅表面形成一層均勻的光刻膠薄膜。目前使用得較多的是動(dòng)態(tài)涂膠。光刻膠的厚度與光刻膠的黏度，旋轉(zhuǎn)速度都有關(guān)系，光刻膠的黏度越低，光刻膠的厚度就越薄。旋轉(zhuǎn)的速度越大，光刻膠的厚度越薄。此外，旋轉(zhuǎn)加速度的大小會(huì)對(duì)光刻膠均勻性有影響，加速度越大，光刻膠的厚度越均勻。4.

51、 軟烘軟烘的目的是去除光刻膠當(dāng)中的溶劑，同時(shí)還能增強(qiáng)光刻膠的粘附性。除此之外，軟烘過程當(dāng)中還能夠去除光刻膠薄膜內(nèi)部的應(yīng)力。軟烘能夠使得光刻膠薄膜更加的均勻，減少雜顯影過程當(dāng)中浮膠和脫膠現(xiàn)象的出現(xiàn)。5. 邊緣光刻膠的去除在光刻膠的涂覆過程完成之后，在片子的邊緣的正反兩面都會(huì)有殘余的光刻膠。而且硅表面的邊緣光刻膠的厚度不均勻。邊緣不均勻的光刻膠影響曝光過程，對(duì)周圍的圖形也會(huì)產(chǎn)生影響，而且十分容易脫落。所以必須去除邊緣部分的光刻膠。邊緣光學(xué)膠的去除可以采用化學(xué)方法或者是光學(xué)的方法去除。采用化學(xué)的方式是在軟烘之后在邊緣部分涂上去邊溶劑，將邊緣的光刻膠去除。光學(xué)的方法是在完成圖形曝光后，用激光曝光片子的

52、邊緣，然后將其溶解。6. 對(duì)準(zhǔn)曝光對(duì)準(zhǔn)是將圖案中心與片子的中心正對(duì)，一次套刻的對(duì)準(zhǔn)比較容易。對(duì)準(zhǔn)之后就是曝光。曝光就是將片子上的光刻膠進(jìn)行選擇性的曝光，被曝光區(qū)域的光刻膠可以被顯影液溶解，而沒有曝光區(qū)域的光刻膠在顯影溶液當(dāng)中就被保留下來。曝光過程當(dāng)中，曝光的能量和焦距會(huì)影響圖案的分辨率。曝光能量與光刻膠的種類和厚度有關(guān)。根據(jù)曝光過程當(dāng)中掩模板與光刻膠的距離，可以將曝光方式分為接觸式曝光，接近式曝光和投影式曝光。接觸式曝光和投影式曝光的分辨率較高，但是設(shè)備復(fù)雜，接觸式曝光的掩模板壽命較低，接近式曝光的分辨率較低。7. 后烘曝光時(shí)，在光刻膠當(dāng)中由于干涉效應(yīng)形成駐波。在駐波的波腹和波節(jié)處分別形成過曝

53、光和欠曝光，使得分辨率降低。在曝光之后對(duì)片子進(jìn)行的烘焙，加劇光刻膠分子的熱運(yùn)動(dòng)，使過曝光和欠曝光部分的光刻膠重新分布，降低駐波效應(yīng)帶來的過曝光和欠曝光現(xiàn)象，提高光刻膠分辨率。8. 光刻膠的顯影和定影經(jīng)過曝光處理之后，光刻膠的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，能夠溶解于顯影液。將片子浸入顯影液，顯影液將曝光部分的光刻膠溶解，未曝光部分的光刻膠得以保留下來，從而將掩模板的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠薄膜上面。顯影之后，將片子浸入水中，穩(wěn)固光刻圖案的過程就叫做定影。9. 硬烘硬烘是為了將光刻膠里面的溶劑完全蒸發(fā)掉，同時(shí)起到了堅(jiān)模的作用，使得刻蝕過程當(dāng)中光刻膠可以更好的保護(hù)光刻膠下面的材料。除此之外，硬烘還可以進(jìn)一步的增強(qiáng)光刻膠

54、和片子之間的黏附力。3.1.2 刻蝕 刻蝕過程主要包括兩個(gè)部分：刻蝕和去膠?？涛g是指將經(jīng)過光刻之后，去掉片子上面沒有被光刻膠覆蓋的硅材料。從而得到和掩模板上面圖案一樣的結(jié)構(gòu)。對(duì)刻蝕的方法進(jìn)行分類可以分為干法刻蝕和濕法刻蝕。濕法刻蝕是通過刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，將被刻蝕物質(zhì)從片子上面移除。濕法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，表面均勻性好、對(duì)硅片損傷少，工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)在于對(duì)圖形刻蝕可控制性較差，刻蝕圖形的最小尺寸精度較大。干法刻蝕采用等離子體和表面薄膜反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，從而保證細(xì)小圖樣有較高的精度。干法刻蝕主要包括反應(yīng)離子刻蝕、

55、離子束刻蝕、電子回旋共振刻蝕以及電感耦合等離子體刻蝕。反應(yīng)離子刻蝕同時(shí)包含物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)來對(duì)材料進(jìn)行刻蝕，一方面采用離子束進(jìn)行轟擊，另一方面同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)去除暴露部分材料。反應(yīng)離子刻蝕的刻蝕速率較高，整個(gè)刻蝕反應(yīng)的過程可以進(jìn)行控制。在反應(yīng)離子刻蝕當(dāng)中，等離子體首先將氛圍氣體電離成能夠參與化學(xué)反應(yīng)的元素，這些生成的可以參與化學(xué)反應(yīng)的元素到達(dá)暴露的硅表面后繼續(xù)擴(kuò)散并與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電感耦合等離子體刻蝕與反應(yīng)離子刻蝕的不同在于電感耦合等離子體刻蝕使用的是射頻電源來取代直流電源。從而避免了內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)外加偏壓的削弱，使得等離子體不會(huì)中斷。與反應(yīng)離子刻蝕相比，電感耦合等離子體刻蝕的速度更快，能刻蝕

56、的最小精度更小，刻蝕的槽壁垂直度也更好。在刻蝕完成之后，需要將片子表面所有的光刻膠都去除干凈。去除光刻膠可以采用氧化法去除。3.2 加工結(jié)果在加工制作之前需要先根據(jù)設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)繪制板圖。由于實(shí)驗(yàn)室采用的是正光刻膠，所以繪制的板圖與器件的外形應(yīng)該是互補(bǔ)的。由于采用的是電子束曝光，所以不需要制作掩模板。采用L-edit軟件繪制掩模板，根據(jù)掩模板上面曝光部分的位置信息，控制電子束的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到曝光的目的。采用電子束曝光的方法免去了掩模板的加工和對(duì)準(zhǔn)過程，同時(shí)在修改器件尺寸時(shí)只需要在軟件當(dāng)中修改參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，而不用重新制作掩模板。采用等效介質(zhì)理論計(jì)算得到?jīng)]有二氧化硅作為上涂覆層的光柵波導(dǎo)的占空比應(yīng)

57、該為60%?？紤]到刻蝕過長(zhǎng)中會(huì)出現(xiàn)的誤差，現(xiàn)在將刻蝕部分的尺寸有120nm減小到90nm。如圖3.1是加工之后的結(jié)構(gòu)在電子顯微鏡下面的照片。圖3.1 亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)電鏡圖加工過程繪制的板圖尺如下：光柵周期=300nm，硅段長(zhǎng)度a=150nm，波導(dǎo)寬度w=300nm。在電子顯微鏡下觀察并測(cè)量得到的光柵寬度為327.8nm，硅段長(zhǎng)度a變?yōu)?67.6nm，光柵的占空比變?yōu)榱?1%。實(shí)際制作的光柵波導(dǎo)在尺寸上與所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)存在20nm左右的偏差。從圖中還可以看到，刻蝕剩下的硅并不是完全的垂直，有一定的傾角?？涛g的不均勻性導(dǎo)致的刻蝕面會(huì)比較的粗糙，這種粗糙的刻蝕面會(huì)對(duì)實(shí)際制造的亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的損耗有較大的影響。在實(shí)際的