硅基光电集成课件

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1、硅基光电集成内容光子集成回路(PhotonIntegratedCircuit，PIC)和光电子集成回路(OpticElectronicsIntegratedCircuit，OEIC)不仅可以在大容量、高保密的光纤通信中应用，而且能在光学遥感、传感，光互联、光计算、光数据存储及光电显示等领域发挥重要作用。PIC和OEIC是在光纤通讯和计算机的高速发展下提出来的．在电子计算机中列入光互连，被称为混合光/电子计算机．用PIC取代集成电路，就是光计算机。无论用PIC还是OEIC取代集成电路，开展硅基PIC、OEIC的研究是必由之路。简介硅基PIC、硅

2、基OEIC芯片包括异质结晶体二极管电路、激光二极管及其驱动/保护电路、光放大器、调制器、光开关、耦合器、快速光探测器，小面反射器、分束/合束器、光波导、光纤等，技术上与微电子工业的CMOS工艺兼容，只需对光波导器件、光探测器件作适当调整“。材料OEIC所使用的材料有Ⅳ族的Si、Ge和I～V族化台物的GaAs、InP及其三、四元合金等半导体材料。由于硅具有更高程度的晶体完整性、优良的机械。热学性能和大尺寸以及硅微电子技术的成熟性，在目前的PIC、OEIC研究中更加受到重视。硅基光波导材料及其光传输损耗1．1外延硅材料(n—si／n+一s

3、i、p—si／p+一si)利用SiH4、SiCl4在约1160C温度下的分解井同时掺杂，可在商业n+-Si、p+Si片上沉积而得n-si/n+-Si、p-Si/p+-Si.衬底掺杂高达10+19cm-3，外延层掺杂可低到10+13cm-3。对本征Si单晶，λ=1.30um．其折射率n=3.505；λ=1.55um，其折射率n=3.480；由于自由载流子浓度的增加，其折射率下降(△n)和吸收系数增大(△a)，这称之为等离子体色散效应。△n可达10e-2量级，所以等离子体色散效应是比较明显并可以利用的，可用于制作Si外延光波导及硅电学调制开关等有

4、源或无源器件.外延硅波导材料主要是微电子工业用的si(111)(用于CMOs电路)．Si(100)(用于双极型电路)片。外延硅波导器件的插入损耗低，与光纤的耦台效率高。但由于衬腐高浓度的载流子对光能量吸收使传输损耗过大，其波导芯与包层的相对光折射率差较小，导致弯曲光波导的曲率半径大，器件的尺寸也就大．制约了集成度的提高。SOI光波导材料SOI(SilicononInsulatoT)波导材料的制备方法有区熔再结晶(ZMR)、直接链合与背刻蚀(SDB—BE)、氧离子注入隔离(sIMOx)等。zMR—sOI光波导的损耗太大．sDB—BE—sOI的硅

5、单晶层质量好，但厚度及其均匀性的控制较难。相对而言，SIMox-s0I是比较理想的光波导材料，但是由于氧离于注入形成的siO2层的厚度一般不超过0.5um，它对光的限制还相当有限。另外．由于单模条件的限制，且s-与Sioz的折射率差别很大，导光的st层仅需要不足0.3um厚．其脊形波导与光纤耦合时需用过渡透镜等光学元件，sOl光波导分为平板波导和条形波导。对于sOl平板光波导而言，根据模色散曲线的重合性，Sio。层只需o．2pm就足够厚了m]。sOI平板光波导中导波层的吸收损耗中t本征吸收限为1．1pm．不在1．3～1．6}啪的窗口，所以本征

6、吸收是根小的。非本征吸收在室温时主要是自由裁流子吸收。sOI平板光波导导模的尊模总吸收损耗

7、、溶胶凝胶法(soIGel)等。FHD工艺是通过控制H2、O2、sicl4的流量在si衬底上沉积并经过高温固化后得到达几十um厚的slO2薄膜。此法可以掺GeO2或TiO2来调节折射率，结合RIE工艺可以制作损耗小于0.6dB·cm-1(λ=1.55um)的二维或三维波导。slO2层的残余应力、均匀性等影响光传输的因紊与制备工艺的关系有待深入研究与实践。CVD:蒸发正硅酸乙脂(TEOS)形成sio2过渡层(约10um)到si衬底上，再沉积掺锗的SiO2层作为波导层，利用图形掩膜并经过刻蚀形成波导条后再沉积不掺杂siOz包层，所得的3dB分束器

8、的损耗低于．05dB·cm。此法的最大优点是与半导体工艺相容，沉积的siO：膜厚及膜的残余应力可控。采用Sol—Gel工艺“63制备光波导材料的原料有正硅酸乙脂(T