中紅外硅基光波導(dǎo)的發(fā)展現(xiàn)狀

馮露露,馮 松,胡祥建,陳夢林,劉 勇,王 迪

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710084)

隨著通信系統(tǒng)對高數(shù)據(jù)傳輸能力需求的日益增長,硅光子學(xué)在可見光和近紅外(Near-Infrared,NIR)領(lǐng)域已經(jīng)取得了較多的研究成果,但對中紅外(MIR)領(lǐng)域的研究較少。MIR光譜范圍為2.5～20.0 μm,硅光子學(xué)在MIR范圍內(nèi)具有潛在的應(yīng)用前景,在波長為3～5 μm和8～12 μm范圍內(nèi)包含多個大氣窗口[1],涵蓋了較多化學(xué)和生物分子的強基礎(chǔ)振動區(qū)以及分子指紋區(qū)(7～20 μm)。雖然分子振動可以發(fā)生在NIR和可見光區(qū)域,可以被先進的吸收光譜技術(shù)識別,但它們在MIR比在NIR和可見光區(qū)域強1 000倍,因為在這個波長范圍內(nèi)包含了幾乎所有化學(xué)鍵的基本振動特征[2],使MIR波段適合的應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛,例如生物傳感器、醫(yī)學(xué)監(jiān)測、氣體泄漏檢測、片上紅外傳感器、發(fā)光二極管光源、激光器、光放大器、收發(fā)器和報警系統(tǒng)等[3]。

硅光子學(xué)中的基礎(chǔ)無源器件是光波導(dǎo),絕緣體上硅(SOI)是目前研究最多的應(yīng)用平臺。SOI平臺光波導(dǎo)具有較多優(yōu)點,包括復(fù)雜度低、光傳輸損耗低、加工產(chǎn)率高、成本低、機械及化學(xué)性能穩(wěn)定,且與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容等,因此NIR波段的較多器件(例如低損耗波導(dǎo)、功率分配器、光柵耦合器、波分復(fù)用器、濾波器以及干涉儀等)已經(jīng)在SOI平臺上實現(xiàn)。與NIR相比,MIR硅光子學(xué)仍處于起步階段。然而,硅的高折射率保證了高密度集成,與CMOS的兼容性可以實現(xiàn)低成本、大面積制造。此外,由于雙光子吸收效應(yīng)在MIR中可以忽略不計,因此它具有產(chǎn)生基于非線性光源的潛力。SOI在NIR硅光子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,由于在4 μm左右波長范圍內(nèi),SOI波導(dǎo)氧化層(Buried Oxide,BOX)的強吸收限制了器件的工作波長,使MIR波段每一種光學(xué)功能都不能較好地實現(xiàn)。二氧化硅(SiO2)在大于3.6 μm波段的強吸收[4-5]限制了在該波長區(qū)域中的應(yīng)用,使其他材料的異質(zhì)集成逐漸發(fā)展,例如VI族與CMOS兼容的MIR透明介質(zhì)。新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)也為MIR波段實現(xiàn)低成本、高密度、多功能的集成器件鋪平了道路。這些研究技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域,例如通信網(wǎng)絡(luò)、傳感和非線性系統(tǒng)。同時,新材料和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為MIR波導(dǎo)的研發(fā)提供了思路,但主要的挑戰(zhàn)在于減少損耗和簡化制造過程。

為了更好地對MIR波導(dǎo)進行研究,本文從波導(dǎo)材料和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兩個方面對不同工藝平臺下的硅波導(dǎo)制備工藝以及其損耗等性能進行了分析。

1 中紅外光波導(dǎo)材料

由于硅具有較高的折射率、較強的光學(xué)限制、較大的非線性以及與CMOS制造工藝的兼容性等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于光子學(xué)集成電路。SOI是目前研究較多的中紅外應(yīng)用平臺,文獻[6～7]指出微電子中常用的硅基材料,包括硅本身,不適用于波長超過8 μm的應(yīng)用。雖然MIR集成光子學(xué)具有廣泛的應(yīng)用前景,但缺乏合適的MIR透明或低損耗光學(xué)芯和包層材料。近年來,研究者提出了SON、SOS、GOS、GOSI、SGOS、SOPS等MIR材料平臺用來獲得更長的波長。圖1是幾種材料淺色區(qū)為損耗小于2 dB·cm-1的波段。從圖1中可以看出,在SiO2高損耗區(qū)域,藍寶石、鍺、氮化硅等材料都有取代的可能(淺色區(qū)為低損耗,深色區(qū)為高損耗)。

圖1 中紅外波段材料吸收特性Figure 1.Absorption characteristics of materials in mid-infrared band

1.1 SOI波導(dǎo)

SOI材料已被廣泛應(yīng)用于光電子集成電路(PIC)和光電集成電路(Opto-Electronic Integrated Circuit,OE-IC)。由于BOX在3 μm及4 μm以上表現(xiàn)出強吸收性[8],因此在MIR集成光子學(xué)中SOI不是較佳平臺。文獻[9]報道了一種具有較厚的Si層SOI波導(dǎo)。SOI的BOX厚度為2 μm,Si層的厚度為400 nm,在3.8 μm波長下,波導(dǎo)的損耗為3 dB·cm-1,在該波導(dǎo)的基礎(chǔ)上設(shè)計了高性能平面凹光柵(Planar Concave Grating,PCG)和陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG)[10-11]。文獻[12]設(shè)計了一種高度為400 nm且寬度為1 600 nm的SOI條型波導(dǎo),該結(jié)構(gòu)以3.5 μm厚的BOX作為緩沖層,使泄露損耗小于0.01 dB·cm-1,SiO2的吸收損耗僅為3.4 dB·cm-1。該結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計和制備光學(xué)器件,例如氣體傳感器。該實驗證明了更厚的波導(dǎo)可以拓展器件的工作波長范圍,防止BOX對光波的強吸收,但該設(shè)計降低了器件的靈敏度和效率。

與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比,SOI槽波導(dǎo)可以提高間隙區(qū)域的電場振幅(可達50倍),從而在MIR硅光子學(xué)傳感器中實現(xiàn)更高的靈敏度。文獻[13]提出了一種SOI槽波導(dǎo),在500 nm厚的Si層中刻蝕約80 nm的縫隙。在3.8 μm波長下,波導(dǎo)的損耗為2.6±0.24 dB·cm-1,傳輸損耗為1.4±0.2 dB·cm-1。通過熱氧化使側(cè)壁平滑,可以進一步降低界面損耗。槽波導(dǎo)是MIR傳感的一種可行性選擇,可支持在較長波長工作的材料平臺上開發(fā)。文獻[14]提出在全懸浮槽波導(dǎo)(Fully Suspended Slot Waveguide,FSSWG)平臺基礎(chǔ)上進行改進的方案。在2.2 μm波長下,將槽波導(dǎo)的傳播損耗從7.9 dB·cm-1降低到2.8 dB·cm-1,彎曲損耗從0.76 dB·cm-1降低到0.15 dB·cm-1,槽波導(dǎo)環(huán)形諧振器的負載Q因子從1 650提高到8 550。

1.2 GOSI波導(dǎo)

硅的熱光系數(shù)較大,導(dǎo)致器件性能對溫度波動較為敏感。因此,若采用GOSI作為MIR波導(dǎo)平臺,SOI基板中的氧化層可以作為一個隔離層來優(yōu)化該問題。文獻[15]報道了一種工作在3.682 μm波長下的GOSI波導(dǎo),損耗約為8 dB·cm-1,實驗證明了該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)具有低損耗MIR光子學(xué)結(jié)構(gòu)。在后續(xù)工作中該實驗通過采用快速熱退火,提高了Ge的質(zhì)量[16],從而進一步降低波導(dǎo)的傳輸損耗。當(dāng)波長為3.682 μm時,波導(dǎo)的傳輸損耗為4 dB·cm-1。由于GOSI結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性而且跟襯底具有電學(xué)隔離,GOSI波導(dǎo)利用厚底Si層來避免SiO2緩沖層的吸收。

1.3 SOS波導(dǎo)

藍寶石的透明波段可以達到5.5 μm,由于SOS芯包層之間的折射率差較大,SOS有望成為MIR波導(dǎo)的理想材料。SOS制造工藝與SOI基本相似,通過化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)在藍寶石基底上的外延生長,然后使用干法刻蝕在硅包層形成波導(dǎo)。到目前為止,實驗證實了工作波長為2.75 μm[17]、4.50 μm[18-19]、5.18 μm[20]和5.5 μm[21]的SOS條波導(dǎo)。此外,在SOS上還實現(xiàn)了波長為2.75 μm[17]和4.5 μm[19]的光柵耦合器以及光子波長為4.50 μm[17]和5.5 μm[21]的環(huán)形諧振器等光學(xué)器件。文獻[20]報道了在5.18 μm波長上測量出低波導(dǎo)傳播損耗小于2 dB·cm-1。文獻[19]通過使用抗蝕性回流,包括蝕刻、裂解和HF刻蝕循環(huán)和退火等后處理過程,實現(xiàn)了環(huán)諧振子的高固有Q因子(約278 000),且在4.5 μm的波長下TE模的傳播損耗僅為0.74 dB·cm-1,改善了SOS波導(dǎo)的性能。然而,藍寶石襯底在波長大于6.0 μm的波段也有較大損耗,完全蝕刻波導(dǎo)可以將波長從1.2 μm拓展到7.0 μm,并保持CMOS的兼容性。針對較長波長,可通過在MIR波段使用高透明的材料來進一步減少吸收損耗。

1.4 GOS波導(dǎo)

多數(shù)IV族光學(xué)器件都是在GOS平臺上開發(fā)。文獻[22]報道了采用活性離子刻蝕技術(shù)(Reactive Ion Etching,RIE)制備GOS波導(dǎo)。在硅襯底上鍍2 μm厚鍺層,條形波導(dǎo)的傳輸損耗低至2.5 dB·cm-1,半徑為115 μm的彎曲損耗為0.12 dB。文獻[23]采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)的波導(dǎo)刻蝕技術(shù),以氯(Cl2)為刻蝕劑的活性離子刻蝕(RIE)和以六氟化硫(SF6)為刻蝕劑刻蝕(DRIE)制備了中紅外GOS波導(dǎo)。

圖2為刻蝕深度H為1.5 μm、光柵螺距為2 μm、占空比為0.5、工作波長為3.8 μm的單模傳播的脊波導(dǎo)。圖2(a)和圖2(c)分別為RIE和DRIE刻蝕Ge波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。圖2(b)和圖2(d)為刻蝕剖面圖(刻蝕深度為H)?？梢钥闯?DRIE刻蝕波導(dǎo)的側(cè)壁輪廓基本垂直。在工作波長為3.8 μm時,RIE蝕刻波導(dǎo)的傳播損耗為6.85 dB·cm-1,優(yōu)化的DRIE蝕刻波導(dǎo)的傳播損耗低于2.7 dB·cm-1。實驗結(jié)果表明,利用光刻技術(shù)制作的波導(dǎo),側(cè)壁角度、粗糙度以及污染物等因素都會導(dǎo)致的器件損耗更高。

(a)

文獻[24]設(shè)計了一種GOS脊波導(dǎo),通過減壓化學(xué)氣相沉積方法在150 mm的硅片上外延生長4 μm厚的鍺,經(jīng)過循環(huán)退火工藝,用電子束光刻形成Ge波導(dǎo),并在SF6和C4F8的混合刻蝕劑中刻蝕1 μm形成脊波導(dǎo)。在波長為8～11 μm時,器件的傳播輸損耗低于5.5 dB·cm-1。該實驗證明了基于GOS的MIR波導(dǎo)工作波長可達11 μm,可適于8～13 μm大氣窗口的傳感應(yīng)用。文獻[25]設(shè)計了工作在4.7 μm波長下的GOS低損耗波導(dǎo)和7×8陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG)。全刻蝕波導(dǎo)的傳播損耗小于3 dB·cm-1,淺刻蝕波導(dǎo)的傳播損耗小于1 dB·cm-1。

1.5 SGOS波導(dǎo)

目前,漸變SiGe波導(dǎo)在中紅外集成光子平臺具有廣泛應(yīng)用,表現(xiàn)出較高的透明度和較強的三階非線性。鍺和硅之間固有的晶格失配引入了較多缺陷,從而限制了光子器件的整體性能。文獻[26～27]提出了一個具有厚外延硅基漸變SiGe波導(dǎo)的波導(dǎo)平臺。如圖3所示,Ge的濃度在0～40%之間,通過調(diào)整SiGe層的尺寸和厚度,該實驗證明了該結(jié)構(gòu)可以在較長的波長范圍下工作。該波導(dǎo)具有8 μm寬的透明度范圍,當(dāng)波長為4.5 μm時,波導(dǎo)損耗低至1 dB·cm-1;當(dāng)波長為7.4 μm時,波導(dǎo)損耗為2 dB·cm-1。與條型波導(dǎo)相同,波導(dǎo)損耗接近于理論值,波導(dǎo)橫截面顯示SiGe區(qū)域完全被外延硅包層覆蓋,垂直方向上的強度分級與鍺濃度的變化有關(guān)。文獻[28]提出了一種在漸變SiGe襯底上沉積的Si20Ge80波導(dǎo)。該實驗測量了在波長在5.5～8.5 μm范圍內(nèi),僅為6 μm厚的富鍺SiGe波導(dǎo)的傳播損耗可低至2～3 dB·cm-1。

圖3 SiGe波導(dǎo)波芯層蝕刻后截面Figure 3. Cross section after etching of SiGe waveguide wave core layer

1.6 SON波導(dǎo)

Si3N4的折射率為2,該材料具有較高的光學(xué)非線性,并且在MIR非線性光的產(chǎn)生和芯片級生化傳感的光子電路方面具有廣泛應(yīng)用。文獻[29]通過沉積一個厚的Si3N4層并與另一個Si晶片鍵合,測量了制備的厚脊波導(dǎo)在波長為3.39 μm時,TE模和TM模的傳播損耗分別為5.2±0.6 dB·cm-1和5.1±0.6 dB·cm-1。制備方法如圖4所示,Si3N4上的Si脊波導(dǎo)具有高達7 μm的低損耗透射窗口,而且具有較低的反射系數(shù),可以有效限制硅波導(dǎo)中的光場。因此在MIR波段,Si3N4取代SiO2作為覆蓋層具有良好的應(yīng)用前景,且基于SON波導(dǎo)的硅基器件能夠在MIR范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的帶寬特性。文獻[30]在2.0～5.4 μm的波長范圍下,設(shè)計了具有5層的SON條型波導(dǎo),并模擬了由此產(chǎn)生的2D和3D SON帶隙等離子體模式。通過模擬在2.0～5.4 μm的波長范圍內(nèi),具有Si/Si3N4/Si/Si3N4/Ag這5層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的“帶隙等離子體模式”,該實驗得到了TM模在不同厚度的Si、Si3N4層的傳輸損耗,并最終得到具有5層SON波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的TM模的傳輸損耗為0.11±0.17 dB·cm-1,而5層的帶隙等離子體波導(dǎo)TM模的傳輸損耗為0.07±0.16 dB·cm-1。

圖4 氮化硅上的制造工藝Figure 4. Manufacturing process on silicon nitride

1.7 GON波導(dǎo)

異質(zhì)Si/III-V光子學(xué)[31-33]是一個具有潛力的光子集成平臺,其結(jié)合了Si和III-V平臺的優(yōu)點,在該平臺上可實現(xiàn)多種高性能的無源和有源光學(xué)器件。文獻[34～35]提出了一種在Si3N4上長Ge的GON波導(dǎo)。該實驗證明了GON結(jié)構(gòu)比Ge/Si堆疊結(jié)構(gòu)更緊湊、折射率差值更大。工藝流程如圖5所示,第1層是生長在Si上的Ge的外延層,Ge層上沉積了Si3N4,第2層是氧化硅晶片。鍵合后,第1片晶片上的Si襯底被去除,通過化學(xué)機械拋光(Chemico-Mechanical Polishing,CMP)去除Ge表面上的缺陷和Si/Ge混合層,提高了Ge層質(zhì)量,另外需要拋光來調(diào)整Ge層最終的厚度。在半徑為5 μm的器件上實現(xiàn)了0.14 dB·cm-1的彎曲損耗,并在3.8 μm波長下測量得到波導(dǎo)損耗為3.35 dB·cm-1,說明通過改進波導(dǎo)制造工藝可以進一步減少波導(dǎo)損耗。

圖5 GON制作工藝流程Figure 5. GON production process

文獻[36]在GON平臺上制造了一個螺旋波導(dǎo)傳感器。如圖6所示,證明了在相同傳播損耗下,GON比GOS平臺具有更好的性能,這是因為GON在波長為3.73 μm時具有高折射率差(Δn=2.1),彎曲波導(dǎo)即使在小半徑下也能實現(xiàn)低彎曲損耗。高折射率差使GON可以進一步拓展其工作波長。該實驗設(shè)計了一種具有高倏逝場的GON波導(dǎo),可以提高器件的靈敏度,實驗中測量到丙酮中IPA(Isopropanol)濃度最低的GON為5%,GOS為16%,證明了在MIR傳感應(yīng)用平臺使用GON的可行性。

圖6 GON平臺波導(dǎo)截面Figure 6.GON platform waveguide section

表1列出了近年來基于不同材料的中紅外光波導(dǎo)的性能參數(shù)。由于中紅外波長更長,因此適用于通信波段的220 nm SOI平臺不再適用于中紅外器件。使用400 nm和500 nm的SOI平臺雖然拓展了MIR的傳輸范圍,但隨著用于隔離光模與基板的BOX越厚,該結(jié)構(gòu)與微電子學(xué)不兼容。MIR SOI平臺最低的傳輸損耗為3.4 dB·cm-1。SOS平臺的優(yōu)勢在于機械支撐性的基底工藝復(fù)雜度低,襯底折射低,消除了襯底泄漏問題,缺點在于制備硬基底更具有挑戰(zhàn)性。SON波導(dǎo)具有寬透明窗口、機械支撐型基板以及兼容性良好的特點,但是其需要晶片粘合和額外的基底制備工藝,缺乏商業(yè)用的基底。GOS具有較寬的透明窗口,且制造工藝簡單,但缺點是Ge和Si之間大晶格失配、高表面粗糙度、高密度的螺紋位錯、Ge和Si的折射率數(shù)差小以及瞬變傳感靈敏度低。Si3N4波導(dǎo)具有寬透明窗、低損耗以及高折射率差等優(yōu)點,易與其他光子結(jié)構(gòu)結(jié)合,缺點在于其也需要晶片鍵合和襯底制備工藝,而且Si3N4和Si之間的晶格失配、表面粗糙度高以及位錯密度高。漸變SiGe具有寬透明窗口和低線程的位錯密度的優(yōu)點,適用于光學(xué)模式限制和色散的柔性波導(dǎo)工程,缺點在于其要求緩沖層厚度大、制造成本高。對比不同的MIR材料平臺中可以發(fā)現(xiàn),在研究更長波段時,Ge波導(dǎo)可成為一個較熱門的研究方向。從實驗結(jié)果來看,富鍺SiGe波導(dǎo)的低損耗也具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 不同材料平臺的中紅外光波導(dǎo)Table 1. Mid infrared waveguide of different material platforms

2 中紅外光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

SOI光子學(xué)的研究主要集中在通信波段,近年來陸續(xù)報道了較多關(guān)于MIR波段的研究。先前關(guān)于SOI的研究表明,具有較長工作波長范圍的SOI波導(dǎo)易受到BOX的透明窗口的限制。為了避免該問題,除了使用一些其他替代材料,還可以實施波導(dǎo)工程來改進器件的結(jié)構(gòu)。降低硅基波導(dǎo)傳輸損耗的另一種方法是去除底部包層的SiO2來創(chuàng)建懸浮波導(dǎo)。利用該方法可以擴展SOI平臺的工作波長,并將Si的全透明窗口用于MIR波段。

2.1 SGOS波導(dǎo)多孔硅上硅波導(dǎo)

多孔硅上硅波導(dǎo)利用空氣或多孔硅取代氧化物包層,工藝步驟如圖7所示。文獻[37]報道了一種工作在3.39 μm波長下,傳輸損耗為3.9 dB·cm-1的多孔硅上硅波導(dǎo)。傳輸損耗較高的原因可能是表面粗糙度和在其制造中使用了低電阻率的Si,可以通過對樣品氧化從而減小傳輸損耗,使其值約為1 dB·cm-1。具體的工藝流程是在P型硅上沉積UV圖案,進行輻照和掩模后在HF水溶液中進行電化學(xué)蝕刻,然后再進行多次刻蝕。

圖7 硅在多孔硅波導(dǎo)制作過程(a)P型硅上沉積的UV圖案(b)進行輻照和掩模后在HF水溶液中進行電化學(xué)蝕刻(c)樣品浸入稀釋的KOH溶液中除未輻照區(qū)域形成的剩余結(jié)構(gòu)(d)在HF下進行二次電化學(xué)蝕刻Figure 7.Manufacturing process of silicon in the fabrication of porous silicon waveguide(a)The UV pattern deposited on P-type silicon (b)Electrochemical etching in HF aqueous solution after irradiation and mask (c)The sample is immersed in diluted KOH solution except for the remaining structure formed in the unirradiated region (d)Secondary electrochemically etched at HF

2.2 Undercut結(jié)構(gòu)

文獻[38]提出了如圖8所示的具有Undercut結(jié)構(gòu)的LMIR波導(dǎo)。采用從波導(dǎo)背面去除SiO2襯底的方法來降低器件的傳輸損耗,實驗測得該結(jié)構(gòu)在波長為10.6 μm時的傳輸損耗依然較大,主要是由于硅在該波長已有6 dB·cm-1的損耗。在背面掏空時,由于波導(dǎo)背面均勻性不良引入了額外的損耗。該結(jié)構(gòu)雖然能夠降低損耗,但是背向刻蝕工藝難度大且器件較薄,易斷裂。

圖8 硅基帶氣隙的脊波導(dǎo)Figure 8. A silicon-based ridge waveguide with an air gap

2.3 Pedestal結(jié)構(gòu)

圖9為硅支架結(jié)構(gòu)(Silicon Pedestal)[39]的制作方法。通過掩膜將硅層側(cè)壁向內(nèi)刻蝕,形成一個具有硅支架支撐的硅波導(dǎo),即襯底不再是SiO2,而是空氣。實驗測得在波長為3.7 μm時,傳輸損耗為2.7 dB·cm-1,在波長大于5 μm時,損耗相較于SiO2襯底可以減小10 dB·cm-1以上。

圖9 Silicon Pedestal結(jié)構(gòu)制造過程(a)采用光刻技術(shù)在硅片上生成波導(dǎo)和分束器的圖形 (b)利用電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻將圖案依次轉(zhuǎn)移到SiO2和Si層 (c)使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積在樣品上沉積了一層薄的氧化層 (d)使用ICP-RIE蝕刻 (e)使用SF6氣體刻蝕硅波導(dǎo)邊緣 (f)用緩沖氧化物腐蝕移除氧化物Figure 9. Silicon Pedestal structure manufacturing process (a)Patterns of waveguide and splitter are generated on oxide-on-silicon wafer by photolithography (b)Patterns are transferred sequentially into SiO2 and Si layers using ICP-RIE (c)A thin oxide layer is conformally deposited on the sample using PECVD (d)Oxide isanisotropically and preferentially etched back using ICP-RIE (e)Undercut of silicon waveguide using SF6 gas as (f)Oxideisremoved by buffered oxide etch

基座波導(dǎo)由單晶Si和由HF刻蝕的SiO2基座組成。因為TE10模式在波導(dǎo)中間固有的弱光場在較大程度上可以減少SiO2襯底的吸收損耗,故基座波導(dǎo)中使用TE10模式來實現(xiàn)。

如圖10所示,基片為3 μm厚的SiO2,低損耗基座波導(dǎo)由Si和SiO2基座組成。通過改變W、H和L等參數(shù)可實現(xiàn)低損耗傳輸。SiO2基座波導(dǎo)在4.8 μm處,TE00和TE10模式的傳輸損耗分別為0.170 dB·cm-1和0.024 dB·cm-1;在7.1 μm波長處則分別為4.85 dB·cm-1和0.53 dB·cm-1。與TE00模式相比,使用TE10模式可以減少波導(dǎo)的傳輸損耗。TE10模式可以激發(fā)波導(dǎo)中的基模,使耦合效率大于94%[40]。低傳輸損耗、高耦合效率和便于制造等優(yōu)點使基座SOI器件在中紅外波段的應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖10 基座波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Figure 10. Base waveguide structure

圖11 帶空氣包層的0.5 MeV質(zhì)子freestanding結(jié)構(gòu)橫截面[41]Figure 11. Cross section of 0.5 MeV proton freestanding structure with air cladding[41]

2.4 Freestanding結(jié)構(gòu)

Freestanding結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)通過質(zhì)子束直寫(Proton Beam Writing,PBW)方法制作,其工藝步驟為:先通過0.5 MeV的高能質(zhì)子束曝光來制備形成支撐區(qū),再用較低能量的質(zhì)子束曝光制備形成波導(dǎo)區(qū),最后利用腐蝕液將其多余部分去掉形成懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。去掉高吸收損耗的SiO2后,波導(dǎo)周圍都是空氣,大幅減小了波導(dǎo)的傳輸損耗。文獻[41]表明對于長10 nm的波導(dǎo),只需要5個寬度為1 μm的支撐柱。實驗測得波導(dǎo)的傳輸損耗為13～14 dB·cm-1,造成高損耗的原因主要是由于高能量的質(zhì)子引起的缺陷和波導(dǎo)表面粗糙,可以通過熱氧化和退火工藝的方法來解決該問題。

2.5 Suspended結(jié)構(gòu)

文獻[42]報道了一種工作波長為7.67 μm的懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu),在TE模式下波導(dǎo)的傳播損耗為3.1±0.3 dB·cm-1,這是首次報道的在7.67 μm波長下工作的低損耗硅波導(dǎo)。懸浮波導(dǎo)由亞波長光柵支撐,該光柵提供橫向光學(xué)約束,同時允許進入BOX層,以便使用HF酸對其進行濕法刻蝕處理。使用亞波長光柵概念設(shè)計的懸浮硅波導(dǎo)可以在硅的MIR透明窗口中使用,具有潛在的傳感應(yīng)用前景。文獻[43]開發(fā)了工作在MIR波長下的懸浮硅波導(dǎo),其可以覆蓋硅的全透明窗口(最高可達8 μm波長),該平臺在分子指紋區(qū)傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實驗測得在3.8 μm波長工作時,該波導(dǎo)的傳輸損耗僅為0.82 dB·cm-1,而在7.7 μm工作時傳輸損耗高達3.1 dB·cm-1?；赟OI材料的懸浮脊波導(dǎo)通過HF酸溶液腐蝕掉波導(dǎo)正下方的BOX,消除了BOX的影響,使SOI材料的低損耗工作波長覆蓋到MIR和遠紅外波段(25～200 μm)。

文獻[44]提出了一種橫向懸浮光柵硅波導(dǎo)。由于硅層覆蓋了整個波導(dǎo),并且孔洞更接近波導(dǎo)芯層,所以當(dāng)光與物質(zhì)之間相互作用時,該結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,更適用于傳感。實驗測得在7.7 μm波長下橫向光柵懸浮Si波導(dǎo)的傳輸損耗低至0.8 dB·cm-1,彎曲損耗為20.005 dB·cm-1。圖12(a)為基于GOS的懸浮波導(dǎo),圖12(b)為基于Ge-on-SOI (GOSI)的懸浮波導(dǎo)。GOS懸浮脊波導(dǎo)的一個標(biāo)準(zhǔn)方法是在GOS上創(chuàng)建一個脊波導(dǎo),在其周圍蝕刻孔,使用四甲基氫氧化銨(Tetramethy lammonium Hydroxide,TMAH)去除下面的Si。懸浮GOSI波導(dǎo)采用改進的方法,首先通過減壓化學(xué)氣相沉積(Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition,RPCVD)在薄的SOI晶片上生長Ge;然后通過光刻形成Ge波導(dǎo)在脊兩側(cè)蝕刻出孔;最后使用HF和TMAH分別去除SiO2和薄Si層。所制作的基于GOSI襯底的懸浮脊波導(dǎo)在7.7 μm波長下的損耗為2.65 dB·cm-1。

(a)

2.6 LOCOS結(jié)構(gòu)

文獻[37]設(shè)計制備了LOCOS結(jié)構(gòu)的波導(dǎo),如圖13所示。起始材料為p型晶片,用熱氧化法對晶片進行薄化,然后在緩沖HF中蝕刻,將1 500 nm厚覆蓋層厚度降低到650 nm左右。采用CVD沉積40 nm的SiO2層和80 nm的Si3N4掩膜層,然后通過光刻和等離子體刻蝕Si3N4層,采用濕刻蝕后,在未掩膜的溝槽區(qū)域產(chǎn)生410 nm厚的SiO2層。最后,去除Si3N4層,在氧化溝道間留下光波導(dǎo)。工作波長為3.39 μm時,波導(dǎo)的傳輸損耗為1.4 dB·cm-1。

圖13 LOCOS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Figure 13. LOCOS waveguide structure

2.7 等離子體結(jié)構(gòu)

通過高摻雜硅可以實現(xiàn)可調(diào)諧性等離子體共振。由于等離子體器件在較長波長下具有低損耗的優(yōu)點,等離子體和Ⅳ族材料的結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景。將等離子體波導(dǎo)器件的截面尺寸降低到亞波長范圍可以進一步降低傳輸損耗,從而為波導(dǎo)放大器、多波長光源等有源器件的片上集成提供了可能性。文獻[45]對摻雜硅在MIR范圍內(nèi)制備的各種新型波導(dǎo)進行了詳細研究,發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)在MIR中具有納米級約束的等離子體模式。使用如圖14(a)所示的槽結(jié)構(gòu)和如圖14(b)所示的矩形殼結(jié)構(gòu)“擠壓”模場實現(xiàn)長距離傳播。在這兩種結(jié)構(gòu)中,光都被限制在波導(dǎo)之間的間隙中。相比于傳統(tǒng)的全內(nèi)反射波導(dǎo),槽和矩形結(jié)構(gòu)在MIR波段具有良好的應(yīng)用前景,槽波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)分別提供的一維約束和二維約束使這些結(jié)構(gòu)成為傳感應(yīng)用的理想選擇。此外,對縫隙和矩形波導(dǎo)的色散研究顯示出負色散區(qū),利用該區(qū)域可為超導(dǎo)材料應(yīng)用、特殊傳輸以及慢光和快光等應(yīng)用提供思路。

(a)

表2為基于不同結(jié)構(gòu)平臺的中紅外光波導(dǎo)的性能參數(shù)。SOI懸浮脊波導(dǎo)與傳統(tǒng)光子結(jié)構(gòu)具有良好的兼容性,但機械穩(wěn)定性差,透明窗口受光柵效應(yīng)和橫向泄漏的限制,需要額外的蝕刻工藝。SOI亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)緊湊,需要蝕刻波導(dǎo)結(jié)構(gòu),但是該結(jié)構(gòu)的幾何形狀受到穩(wěn)定性限制,透明度窗口受到光柵效應(yīng)和橫向泄漏限制?；▽?dǎo)便宜且易獲得基底強光學(xué)約束,但是幾何設(shè)計靈活性差,且存在與傳統(tǒng)光子結(jié)構(gòu)的不兼容性。通過不同MIR結(jié)構(gòu)平臺可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)去除部分SiO2時,硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的改變進一步拓寬MIR波長的應(yīng)用范圍,增加了設(shè)計難度和制造復(fù)雜度,從而限制了MIR波長的實際應(yīng)用范圍。

表2 不同結(jié)構(gòu)平臺的中紅外光波導(dǎo)Table 2. Mid infrared waveguides of different structure platforms

3 結(jié)束語

本文綜述了國內(nèi)外近年來對MIR波段的低損耗硅基光波導(dǎo)的制備工藝及其損耗的研究進展。MIR硅基光波導(dǎo)具有廣闊的應(yīng)用前景, SOI技術(shù)作為低成本的硅晶膜具有的重要作用。此外,晶體硅具有穩(wěn)定性、高光學(xué)非線性、易于加工和低成本等優(yōu)點,其能夠在其他基底(SOS、GOS、GOSI、SOS、GOS、SGOS、SON、SON)上取得成功,以適應(yīng)更廣泛的波長,材料平臺覆蓋的波長范圍為2.2～11 μm。另一方面,幾何形狀的波導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展成為許多懸浮結(jié)構(gòu),例如SGOS、Undercut、Pedestal、Freestanding、Suspended、LOCOS,其工作波長大多在3～7 μm,其性能可能受到側(cè)壁粗糙度或光刻缺陷限制。更厚的波導(dǎo)可以增加MIR工作帶寬,防止傳輸?shù)墓獠ㄅc包層的相互作用,但這會降低器件的靈敏度和效率。由于中紅外波段硅基光波導(dǎo)材料本身的局限性以及工藝制造等方面仍面臨較多問題,因此需要建立更好的波導(dǎo)工程和制造工藝。在MIR波段范圍內(nèi),這些平臺上的基本光子組件具有廣闊的發(fā)展前景,但高密度集成和多功能系統(tǒng)仍然是需要解決的問題。隨著電信領(lǐng)域的光子電路日益復(fù)雜,在實際應(yīng)用中,MIR硅光子學(xué)平臺的廣泛應(yīng)用取決于該技術(shù)的復(fù)雜性以及低損耗性。在現(xiàn)有材料平臺上,進一步提高器件性能,例如降低傳播損耗、增加Q因子等,可以有效促進器件的集成密度從而獲得更優(yōu)異的性能。