SOI基光波導(dǎo)傳輸損耗的研究

李逸康，張有潤(rùn)，葛超洋，汪 煜，張 波

（1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

1 引言

硅和二氧化硅的高折射率差可以實(shí)現(xiàn)硅基光電子器件的高密度集成[1-2]，絕緣體上硅（SOI）材料在硅基光電子中大量應(yīng)用。光波導(dǎo)是硅基光電子的基本結(jié)構(gòu)之一，用于定向傳輸光，并起到連接光柵、多模耦合器等光電子器件，實(shí)現(xiàn)這些器件間光信號(hào)傳輸?shù)淖饔谩Ｈ绾谓档凸庠诓▽?dǎo)中的傳輸損耗，進(jìn)而可以使用更低功率的光源是光波導(dǎo)研究中的一項(xiàng)重要課題，具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的意義。為了降低傳輸損耗，首先要知道傳輸損耗的構(gòu)成以及產(chǎn)生機(jī)理，從而為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更低損耗的光波導(dǎo)提供優(yōu)化方法。

對(duì)于波長(zhǎng)為1550 nm的光，硅材料波導(dǎo)的損耗理論上可以分為4部分：模式失配損耗、表面散射損耗、內(nèi)部散射損耗和彎曲損耗[3]。彎曲損耗僅存在于彎曲波導(dǎo)中，光在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，一部分光以倏逝波的形式存在于光波導(dǎo)的外部，這部分光在波導(dǎo)彎曲時(shí)受到波導(dǎo)的束縛小，導(dǎo)致光逸出波導(dǎo)，造成損耗，對(duì)于直波導(dǎo)，則不用考慮彎曲損耗[4]。模式失配損耗是光的模式和波導(dǎo)形狀不匹配造成的。理論上，TE0模式在平板波導(dǎo)中傳輸不會(huì)產(chǎn)生任何模式失配損耗[5]，但實(shí)際應(yīng)用中波導(dǎo)截面是一個(gè)有限寬度的梯形，這意味著TE0模式在其中傳播將產(chǎn)生模式失配損耗。表面散射損耗是由于波導(dǎo)表面不光滑導(dǎo)致的，波導(dǎo)傳輸光的本質(zhì)是光的全反射，因此如果反射面不平整，就有可能不滿足全反射條件，導(dǎo)致光在傳播過程中發(fā)生散射。表面散射是不可避免的，但是通過特殊的工藝處理來獲得更平滑的表面可以降低表面散射損耗[1]。內(nèi)部散射損耗是由波導(dǎo)中的雜質(zhì)和缺陷引起的，光遇到這些雜質(zhì)或缺陷時(shí)發(fā)生散射。這些雜質(zhì)或缺陷可能是在SOI襯底的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的，也可能是在后續(xù)硅基光電子器件的生產(chǎn)過程中引入的。

目前，對(duì)于低損耗波導(dǎo)的制作方法比較完善，波導(dǎo)的損耗機(jī)理也有較多研究，這些研究可以分為兩類。第一類為在理論上提出波導(dǎo)傳輸損耗的機(jī)理，如AALTO等[5]研究了波導(dǎo)的模式理論、單模條件以及波導(dǎo)傳輸?shù)膿p耗機(jī)理，從理論上把波導(dǎo)傳輸損耗和模式的關(guān)系進(jìn)行了說明；LEE等[2]提出波導(dǎo)頂層硅面光滑程度一般較高，傳輸損耗中的表面散射損耗主要來自于側(cè)壁，可以使用反應(yīng)離子刻蝕的工藝方法來降低波導(dǎo)的傳輸損耗。第二類為從實(shí)際制作出發(fā)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化工藝來制作低損耗波導(dǎo)，如CASSAN等[6]設(shè)計(jì)了低損耗SOI基脊形波導(dǎo)，波導(dǎo)傳輸損耗達(dá)0.5 dB·cm-1；FORESI等[4]針對(duì)彎曲波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在2 μm小曲率半徑下，實(shí)現(xiàn)了90°轉(zhuǎn)角的插入損耗低于1 dB。另外，對(duì)于非硅材料波導(dǎo)，DALDOSSO等[7]以氮化硅制作波導(dǎo)，得到針對(duì)730 nm和632.8 nm光的傳輸損耗接近0.1 dB·cm-1。

本文將目前文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的波導(dǎo)傳輸損耗理論與實(shí)際制作的波導(dǎo)的仿真與測(cè)試分析相結(jié)合，提出了一種計(jì)算思路，計(jì)算出了實(shí)際波導(dǎo)傳輸損耗中3種損耗所占的比例。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文基于SOI襯底設(shè)計(jì)并制造了相同寬度的條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)，通過有限差分本征模（FDE）仿真計(jì)算了波導(dǎo)的模式失配損耗，接著測(cè)試了條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的傳輸損耗，使用的方法為截?cái)喾╗8]。本文提出的傳輸損耗測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)包含一組波導(dǎo)，在每個(gè)波導(dǎo)兩側(cè)制作光柵耦合器，除了波導(dǎo)長(zhǎng)度之外，每個(gè)波導(dǎo)的其他參數(shù)均相同。對(duì)于每個(gè)波導(dǎo)，使用光纖和光柵耦合器進(jìn)行光的輸入輸出，固定耦合輸入光的強(qiáng)度，測(cè)試耦合輸出光的強(qiáng)度，得到插入損耗。長(zhǎng)波導(dǎo)插入損耗與短波導(dǎo)插入損耗的差值是波導(dǎo)長(zhǎng)度差值導(dǎo)致的，因此插入損耗的差值除以波導(dǎo)長(zhǎng)度的差值即為波導(dǎo)的傳輸損耗。

圖1 硅波導(dǎo)傳輸損耗測(cè)試結(jié)構(gòu)

本文使用220 nm厚的頂層硅、5 μm厚埋氧層的SOI材料進(jìn)行流片制作，SOI頂層硅使用的是電阻率為10 Ω·cm的硼摻雜p型硅材料，這是市面上常見的SOI材料規(guī)格，對(duì)應(yīng)的摻雜濃度約為4.5×1014cm-3。條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的截面如圖2所示。條形波導(dǎo)的寬度W1為500 nm，高度H為220 nm，脊形波導(dǎo)的寬度W2也為500 nm，刻蝕深度h為130 nm。制作的每組波導(dǎo)長(zhǎng)度分別為100 μm、1000 μm和10000 μm。為了排除偶然誤差，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，根據(jù)光柵占空比的不同設(shè)計(jì)了4組實(shí)驗(yàn)，對(duì)每組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳輸損耗取平均值，作為最后的結(jié)果。占空比指在一個(gè)光柵周期中未刻蝕的硅部分占總體的比值，不同占空比的光柵不影響傳輸損耗的測(cè)試結(jié)果。光柵耦合器的光柵周期為630 nm，刻蝕深度為70 nm，光柵的占空比分別設(shè)置為57%、52%、47%、42%。

圖2 條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的截面

硅的刻蝕工藝是硅波導(dǎo)制作的核心工藝。針對(duì)硅波導(dǎo)和光柵的制作，三道硅刻蝕工藝為主流工藝，可以降低側(cè)壁的粗糙程度和增加陡直度，從而降低波導(dǎo)的傳輸損耗[9]。三道硅刻蝕工藝指SOI頂層硅全刻蝕、刻蝕深度為130 nm的脊形波導(dǎo)刻蝕和刻蝕深度為70 nm的光柵刻蝕，兩道非穿透性刻蝕是對(duì)頂層硅全刻蝕進(jìn)行高精度套刻。硅光工藝對(duì)刻蝕精度要求較高，2 nm的波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度會(huì)引入2 dB·cm-1的波導(dǎo)傳輸損耗[10]。

在一個(gè)調(diào)節(jié)架上水平放置制作的波導(dǎo)樣品，將輸入光纖和輸出光纖通過六維調(diào)節(jié)架基本固定在芯片兩側(cè)，并調(diào)整至光柵耦合器需要的耦合角度。使用1550 nm的激光器作為光源，連接一個(gè)偏振控制器。波導(dǎo)樣品的輸入光纖連接偏振控制器輸出端，樣品的輸出光纖接光功率計(jì)。調(diào)節(jié)偏振控制器，確定輸入光為TE模式。通過光功率計(jì)確定從偏振控制器輸出的光強(qiáng)為0 dBm。之后進(jìn)行細(xì)對(duì)準(zhǔn)，通過六維調(diào)節(jié)架的調(diào)節(jié)旋鈕將輸出光纖中的光功率調(diào)整到最大值，此時(shí)光纖的對(duì)準(zhǔn)位置達(dá)到最佳點(diǎn)，即此時(shí)光功率計(jì)的測(cè)量值為輸出光功率，減去輸入的0 dBm可以得到插入損耗。

測(cè)得的插入損耗如表1所示。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以占空比為57%的數(shù)據(jù)為例，100～1000 μm波導(dǎo)的插入損耗從-9.6 dB變化到了-9.5 dB，那么計(jì)算出900 μm的傳輸損耗為1.11 dB·cm-1，同理通過1000 μm和10000 μm的數(shù)據(jù)計(jì)算出9000 μm波導(dǎo)的傳輸損耗為-2.56 dB·cm-1，通過長(zhǎng)度的加權(quán)平均，利用光柵占空比為57%的這一組數(shù)據(jù)計(jì)算出的傳輸損耗為-2.2 dB·cm-1。對(duì)其他幾組數(shù)據(jù)做同樣的處理，條形波導(dǎo)的傳輸損耗平均值為-2.4 dB·cm-1。對(duì)脊形波導(dǎo)使用同樣的方法，得出傳輸損耗的平均值為-2.0 dB·cm-1。

表1 不同波導(dǎo)長(zhǎng)度和光柵占空比下的插入損耗

3 仿真與結(jié)果分析

在FDE仿真軟件中對(duì)制造的波導(dǎo)截面形狀一致的條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真軟件使用的是完全忽略內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷的理想硅材料，即沒有內(nèi)部散射損耗，并且波導(dǎo)的表面是完全光滑的，即沒有表面散射損耗，因此仿真得到的損耗為模式失配損耗。

通過顯微鏡得到刻蝕工藝制作結(jié)構(gòu)的剖面圖，得知實(shí)際工藝中刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁角度約為81°。將一個(gè)截面底角為81°、高為220 nm、頂寬為500 nm的條形波導(dǎo)和相同寬度的脊形波導(dǎo)導(dǎo)入FDE仿真軟件中，波導(dǎo)的光模式仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹剑糠蛛妶?chǎng)分布于側(cè)壁表面，造成模式和光源的TE0模式不匹配，從而產(chǎn)生損耗。仿真得到的理想條形波導(dǎo)傳輸損耗為-3.0×10-11dB·cm-1，理想脊形波導(dǎo)傳輸損耗為-1.1×10-10dB·cm-1?？紤]到仿真軟件的精度有限，在仿真時(shí)網(wǎng)格的劃分等因素會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此仿真結(jié)果僅能說明模式失配損耗所占總體損耗的比例可以忽略不記。

有效折射率是評(píng)判光波導(dǎo)傳輸損耗的另一個(gè)重要參數(shù)，低損耗波導(dǎo)的制作也需要考慮波導(dǎo)寬度對(duì)有效折射率的影響。由于仿真難以模擬真實(shí)的波導(dǎo)粗糙表面，通常按照光滑波導(dǎo)進(jìn)行仿真，因此通過對(duì)有效折射率的仿真，可以間接反映相同程度的表面粗糙度對(duì)表面散射損耗的影響。有效折射率是一個(gè)定量描述波導(dǎo)中單位長(zhǎng)度相位延遲的量。有效折射率越高，說明波導(dǎo)對(duì)光的束縛能力越強(qiáng)，光以倏逝波的形式沿波導(dǎo)表面?zhèn)鬏數(shù)牟糠衷缴?，相同表面粗糙程度下，表面散射也相?duì)越小。對(duì)于220 nm高的理想條形波導(dǎo)，TE0模式光的有效折射率和波導(dǎo)寬度的關(guān)系如圖4所示，波導(dǎo)寬度在0.4 μm以內(nèi)時(shí)，波導(dǎo)對(duì)光的束縛能力隨波導(dǎo)寬度的減小而急劇下降，波導(dǎo)中在表面?zhèn)鬏數(shù)馁渴挪ǖ谋壤仙?，此時(shí)表面粗糙程度將加劇光的表面散射，不利于制作低損耗波導(dǎo)。

圖3 條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的光模式仿真結(jié)果

圖4 220 nm高的條形硅波導(dǎo)的有效折射率和波導(dǎo)寬度的關(guān)系

條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的傳輸損耗減去模式失配損耗之后，剩下的損耗還有內(nèi)部散射損耗和表面散射損耗。由圖3可知，光在波導(dǎo)中能量分布區(qū)域基本一致，并且條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)是在相同襯底上以相同的工藝制作的，內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷理論上沒有差別，因此認(rèn)為條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的內(nèi)部散射損耗相等。脊形波導(dǎo)的側(cè)壁面積比條形波導(dǎo)小，因此脊形波導(dǎo)的表面散射損耗低于條形波導(dǎo)[5]，且由于采用同樣的工藝制作，相同側(cè)面積下的散射損耗相等，條形波導(dǎo)與脊形波導(dǎo)的表面散射損耗之比等于刻蝕深度之比。

設(shè)測(cè)得的條形波導(dǎo)傳輸損耗為L(zhǎng)tl，脊形波導(dǎo)傳輸損耗為L(zhǎng)'tl，條形波導(dǎo)的模式損耗、內(nèi)部散射損耗和表面散射損耗分別為L(zhǎng)mo、Lis和Lss，各種損耗之間的關(guān)系應(yīng)滿足：

因此在Lmo、Lt1、L'tl和H、h已知的前提下，可以通過式（1）計(jì)算得出Lis和Lss。

對(duì)于條形波導(dǎo)，表面散射損耗為-1.42 dB·cm-1，占傳輸損耗的59.2%，這表示主要的光波損耗來自于表面的散射。內(nèi)部散射損耗為-0.98 dB·cm-1，約占傳輸損耗的40.8%，表明材料中雜質(zhì)或缺陷較多，這些雜質(zhì)可能是在SOI襯底的生產(chǎn)過程中引入的，也可能是在光柵生產(chǎn)過程甚至是在測(cè)試過程中引入的。脊形波導(dǎo)側(cè)壁面積較小，所以表面散射損耗也相對(duì)減小，僅為-0.58 dB·cm-1，占脊形波導(dǎo)傳輸損耗的29%，而內(nèi)部散射損耗占傳輸損耗的71%。本次制作的條形波導(dǎo)的傳輸損耗和脊形波導(dǎo)的傳輸損耗高于目前論文中討論的值，表明制作工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。占傳輸損耗較大比例的是內(nèi)部散射損耗，尤其對(duì)于表面散射更低的脊形波導(dǎo)，其占了波導(dǎo)總損耗的71%，這說明本次工藝SOI的頂層硅摻雜濃度過高，或者后續(xù)刻蝕工藝對(duì)SOI表面硅晶體引入了缺陷。條形波導(dǎo)的表面散射損耗為-1.42 dB·cm-1，這比目前文獻(xiàn)中低損耗波導(dǎo)的總傳輸損耗0.3 dB·cm-1還高[5]，說明刻蝕工藝還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

4 結(jié)論

本文通過條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的對(duì)比測(cè)試，以及條形波導(dǎo)測(cè)試損耗和FDE仿真損耗的對(duì)比，從理論上分析了幾種不同原因的損耗所占總體損耗的具體比例，得知本次直波導(dǎo)的傳輸損耗主要是由波導(dǎo)表面散射和內(nèi)部散射引起的，為以后如何制造出損耗更低的波導(dǎo)指明了改進(jìn)方向，如使用更高電阻率的SOI材料來降低SOI中的雜質(zhì)，在工藝過程中降低溫度變化幅度來降低波導(dǎo)加工過程中引入的缺陷。