硅光学习-6- 波导工艺以及传输性能分析

一、波导制备工艺：

图1展示了一种典型的硅光波导制造工艺（20年前的老配方了）[1]。

图1、硅光波导的典型制造工艺

1）首先，在SOI衬底上形成硬掩模层和光刻胶掩模层。硬掩模用于提高硅蚀刻的选择性，通常由二氧化硅制成。

2）接下来，通过电子束（EB）光刻或准分子激光深紫外（DUV）光刻定义波导图案，这些技术能够形成100纳米的图案。通常，EB和DUV光刻技术用于电子电路的制造，在这些技术中，它们被用于优化直线和相交线图案的制备。因此，在图案边缘中没有考虑曲线和粗糙度，而这是又是制备低损耗光波导的重要因素。

为了减少波导的传播损耗，有必要将边缘粗糙度降低到约1纳米或更低。这意味着在EB曝光或DUV掩模的数据准备过程中必须特别处理。图2显示了一个经过特殊处理和未经过特殊处理的超小型环形谐振器，其中由于特殊处理，侧壁粗糙度显著降低。

图2、环形谐振器的SEM图像(a)无EB数据优化和(b)有EB数据优化

在实际制造中，还必须考虑EB光刻的写入速度。出于实用目的，可能需要使用具有可变形状光束的EB光刻。

3）在进行抗蚀剂显影和硬掩模的二氧化硅蚀刻之后，通过使用电子回旋共振（ECR）等离子体或感应耦合等离子体的低压等离子体蚀刻形成硅波导。为了保证波导粗糙度在亚纳米水平下，等离子体条件和蚀刻气体的选择必须针对设备进行调整优化。

4）最后，使用基于二氧化硅的材料或聚合物树脂材料形成包层。为了避免损坏硅层，包层必须通过低温工艺沉积，例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法。特别是对于与电子结构相关的波导，使用低温工艺至关重要，以防止损坏电子器件。

图3显示了硅光波导的扫描电子显微镜（SEM）图，其横截面为400nm×200nm。几何形状与设计值非常吻合，侧壁的垂直度也非常良好。图3b显示了80nm宽的SSC波导尖端图，锥体和波导芯采用通用制造工艺构建。图3c显示了用于SSC的氧化硅波导的SEM图。氧化硅波导通过PECVD法沉积SiO2基材料并用反应离子刻蚀（RIE）进行刻蚀制成。通过调整沉积条件，材料的折射率被调至比普通热氧化硅高2.5%。最终产品中，一层7μm的二氧化硅外覆层覆盖整个结构。

图3 硅光波导系统的SEM图像。(a)硅光波导芯，(b)硅尖端，(c)用于光斑尺寸转换器的SiOx波导芯[1]

二、波导传输性能分析

（1）波导损耗

图4展示了采用上述方法制造的带有SSC结构的硅光波导传输损耗。外部耦合使用了高数值孔径（NA）的光纤，其模场直径（MFD）为4.3μm。如图所示，TE模式的传播损耗已改善至约1 dB/cm。在矩形波导中，TM模的传播损耗通常优于TE模。

图4、带光斑尺寸转换器的硅光波导的传输损耗

通过波导侧壁氧化工艺可能会进一步降低波导损耗。

图5、侧壁波导氧化的制造工艺[2]

由于硅光波导器件通常小于1毫米，因此大约1 dB/cm的传输损耗已经达到了实际可用水平。除了波导侧壁的粗糙度，波导的宽度也影响传输损耗。

图6展示了波导损耗与波导宽度之间的关系。如图所示，随着波导宽度的增加，传输损耗降低，因为更宽的波导可以减少侧壁粗糙度的影响。当宽度超过460nm时，波导内还可以传导高阶模式，这可能会降低某些光子器件的性能。

图6、波导损耗与波导宽度的关系

（2）光纤与波导耦合损耗

光纤与光波导之间的耦合损耗用图4中纵轴的截距表示。截距处的损耗值包括两个波导/光纤接口；因此，在这种情况下，一个接口在1550nm波长处的耦合损耗为0.5 dB。

图7展示了带有SSCs的光波导的传输光谱。在200nm宽的带宽内，光谱保持平坦，未观察到吸收峰。平坦的光谱表明，用于SSC的SiO2基材料中不含N-H键的杂质。尽管在约1400纳米波长处存在由残余O-H键引起的吸收，但由此产生的损耗并不大。通过热处理也可以消除O-H键。

图7、具有SSC的典型硅光波导的测量传输谱

（3）弯曲波导损耗

图8显示了TE单模波导的弯曲损耗。对于超过5μm的弯曲半径，弯曲损耗可以忽略不计。即使对于大约2μm的超小弯曲半径，矩形结构的波导也能保持损耗低于0.1 dB（90◦弯曲）。对于方形芯波导，在弯曲半径小于5μm时，弯曲损耗更大。对于TM模，尤其是在矩形波导中，弯曲损耗通常大于TE模的损耗。

图8、波导插入损耗与弯曲半径的关系

（4）波导双折射

波导的双折射可以通过环形谐振器的自由光谱范围（FSR）来评估。图9显示了在大约197 THz（λ = 1.514μm）处测量的10μm半径的环形谐振器的传输光谱。

在这个图中，TM模的FSR（1.67THz）显著大于TE模的FSR（1.11THz）。利用FSR，我们可以通过ng = c/2πRΔf来大致算出波导的群折射率，其中c、R和Δf分别是真空中光速、环形谐振器的半径以及以赫兹为单位的FSR。因此，TE模和TM模的群折射率分别估算为4.30和2.86，这与之前的设计值（4.33、2.78）非常吻合。

图9、半径为10um的环形谐振器drop端口的测量光谱