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一、集成電路發(fā)展
1947年,貝爾實(shí)驗(yàn)室成功制備出了第一支晶體管,克服了電子管體積大?功耗高和結(jié)構(gòu)脆弱的缺點(diǎn),揭開了集成電路(Integrated circuit , IC)的序幕?
幾十年以來,其按照摩爾定律預(yù)測(cè)的那樣發(fā)展著,即半導(dǎo)體芯片的集成度每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍,而價(jià)格卻降低一半?
然而,隨著器件的加工線寬發(fā)展到納米量級(jí)和集成度的不斷提高,集成電路面臨制備工藝達(dá)到極限和發(fā)熱量持續(xù)增加的問題,亟需新的解決方案?
與電子集成將晶體管?電容器和電阻器等電子器件集成類似,光子集成(Photonic integrated circuit, PIC)是將各種光子器件集成在一起,如:電光調(diào)制器? 激光器? 光放大器? 光電探測(cè)器和光復(fù)用/解復(fù)用器等?
二、光子集成技術(shù)的出現(xiàn)
PIC的概念從20世紀(jì)60年代后期開始提出, 20世紀(jì)70年代后期開始從實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)際應(yīng)用?
集成光子器件主要由微米或納米量級(jí)寬度的光波導(dǎo)構(gòu)成?
將多個(gè)光子器件集成在同一塊襯底上,?充分利用電光效應(yīng)? 熱光效應(yīng)和磁光效應(yīng)等對(duì)光進(jìn)行調(diào)制,?具有小型化? 低成本? 調(diào)制效率高? 功率密度高和低功耗的優(yōu)點(diǎn)?
到目前為止,?各種制備工藝的進(jìn)步(如:?濺射技術(shù)? 化學(xué)氣相沉積技術(shù)? 刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù))?為光子器件精細(xì)的結(jié)構(gòu)制備提供了技術(shù)支持? 光子集成技術(shù)正在快速發(fā)展,?一些新的應(yīng)用也會(huì)隨工藝的改進(jìn)而顯現(xiàn)出來,?促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展?
硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料,?帶隙為1.12eV,?屬于間接帶隙半導(dǎo)體? 硅的導(dǎo)電性會(huì)因溫度? 摻雜濃度和光輻照強(qiáng)度變化而顯著變化,?廣泛應(yīng)用于集成電路?
絕緣體上硅(Siliconon insulator ,SOI)技術(shù),?即使用一薄的絕緣層將硅薄膜和硅襯底隔離開,給電子集成器件帶來許多的好處，pn結(jié)的面積減小,?因而寄生電容和結(jié)的漏電電流減小,?使器件工作速度高? 功率低;?容易實(shí)現(xiàn)理想的淺結(jié),?使得短溝效應(yīng)得到改善,?使得芯片面積減小;?可以簡(jiǎn)化器件工藝,提高器件良率,?降低生產(chǎn)成本;?襯底仍然為硅,?為微電子或納電子芯片提供所需的優(yōu)質(zhì)襯底?
同時(shí),?硅基光子集成可以與電子芯片的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體( Compementary meta oxide-semi conductor , CMOS)?制備工藝兼容,?可以充分利用電子集成芯片成熟的加工工藝,?實(shí)現(xiàn)較低的生產(chǎn)成本和批量生產(chǎn)?
SOI的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,?從上到下依次為: Si薄膜, SiO2絕緣層和Si襯底?
圖中(b)和(c)分別為淺刻蝕和深刻蝕的Si波導(dǎo)的TE模式分布圖(波長(zhǎng)1550nm)? 波長(zhǎng)為1550nm時(shí), Si的折射率為3.48, SiO2的折射率為1.46, Si和SiO2之間存在大的折射率差,?使得Si?波導(dǎo)對(duì)光具有很強(qiáng)的限制能力,波導(dǎo)中光模式尺寸小和彎曲損耗低,?大大減小了器件的體積和提高了光子器件在SOI?上的集成密度?
正是因?yàn)镾OI的這些優(yōu)點(diǎn),?使其在集成光子學(xué)中成為一個(gè)極具吸引力的材料平臺(tái)?
得益于成熟的CMOS工藝,?各種無源光波導(dǎo)器件已經(jīng)在SOI上實(shí)現(xiàn)?
如:定向耦合器? 分支器 ? 波導(dǎo)布拉格光柵 ? 陣列波導(dǎo)光柵? 馬赫曾德爾干涉儀和環(huán)形諧振器等,?如下圖所示?
在Si?中進(jìn)行摻雜,?利用載流子色散效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制,?可以在SOI上實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器? 主要有三類調(diào)制機(jī)制:?載流子注入? 載流子積累和載流子耗盡,?如圖所示?
其中,?載流子耗盡可以獲得最高的調(diào)制速度? 但是,?自由載流子色散本質(zhì)上是吸收的和非線性的,?這降低了光調(diào)制幅度,?并且在使用先進(jìn)的調(diào)制格式時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)失真?
三、鈮酸鋰光子集成技術(shù)
鈮酸鋰(LN)?晶體具有卓越的電光? 聲光? 非線性光學(xué)? 光折變? 壓電? 鐵電? 光彈和熱釋電等效應(yīng),?且機(jī)械性能穩(wěn)定和具有寬的透明窗(0.3-5μm),在集成光學(xué)中有廣泛的應(yīng)用?
基于鈮酸鋰晶體上傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方法制備的光波導(dǎo),?如:?離子注入? 質(zhì)子交換和鈦擴(kuò)散法,具有小的折射率差,?大的波導(dǎo)彎曲半徑導(dǎo)致器件尺寸大,?限制了其在集成光學(xué)中的應(yīng)用?
鈮酸鋰薄膜( LNOI)?具有較大的折射率對(duì)比度,?這可以使波導(dǎo)具有僅數(shù)十微米的彎曲半徑和亞微米量級(jí)的波導(dǎo)截面,?允許高密度的光子集成和強(qiáng)的光限制來增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用?
LNOI?可以通過脈沖激光沉積、容膠凝膠法? 射頻磁控濺射和化學(xué)氣相沉積法等方法制備,?但這些方法獲得的LNOI呈現(xiàn)出多晶結(jié)構(gòu)的性質(zhì),?造成光傳輸損耗明顯增加? 其次,?薄膜的物理性質(zhì)和指標(biāo)與單晶LN也存在明顯的差距,?這無疑會(huì)對(duì)光子器件的性能產(chǎn)生不良影響?
1998年, M.Levy?等人采用離子注入和橫向刻蝕相結(jié)合的方法制備了單晶LN薄膜。目前,?隨著制備技術(shù)的不斷提高,?高質(zhì)量?大尺寸的LNOI?晶圓已經(jīng)商業(yè)化,?促進(jìn)了LN集成光子學(xué)的發(fā)展, LN薄膜厚度可以為300-900nm,?晶圓尺寸可達(dá)8英寸?
LNOI的制備是使用離子注入? 直接鍵合和熱退火等一系列過程,?從LN體材料中物理剝離LN薄膜并將其轉(zhuǎn)移到襯底上同時(shí),?研磨和拋光的方法也可以產(chǎn)生高質(zhì)量的?LNOI? 該方法避免了離子注入過程對(duì)?LN?晶體晶格的損傷,?對(duì)晶體質(zhì)量影響較小,?但對(duì)薄膜厚度均勻性控制要求嚴(yán)格?
LNOI不僅保留了LN體材料的電光? 聲光和非線性光學(xué)等物理性質(zhì),?而且具有單晶結(jié)構(gòu),?有利于實(shí)現(xiàn)低的光傳輸損耗?
下圖顯示了LNOI的結(jié)構(gòu)示意圖,以及淺刻蝕和深刻蝕的LN波導(dǎo)的?TE?模式分布圖(波長(zhǎng)1550nm)?
光波導(dǎo)是集成光子學(xué)的基本器件之一?,?光波導(dǎo)的制備方法有多種?
LNOI上的光波導(dǎo)可以采用傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方法制備,?如質(zhì)子交換??LN化學(xué)惰性強(qiáng),?為避免LN的刻蝕,?可以在LNOI上沉積容易刻蝕的材料來制備加載條波導(dǎo),加載條材料有: TiO2?SiO2??SiNx??Ta2O5? 硫?qū)倩衔锊ＡШ蚐i等?
利用化學(xué)機(jī)械拋光方法制備的LNOI?光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了傳播損耗0. 027dB/cm,?但是其較淺的波導(dǎo)側(cè)壁使小彎曲半徑波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)比較困難?
利用等離子刻蝕的方法制備的LNOI?波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了0.027dB/cm的傳輸損耗,?這是一個(gè)里程碑式的進(jìn)步,?意味著可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光子集成和單光子級(jí)處理?
除了光波導(dǎo),?許多高性能的光子器件也在LNOI?上制備了,?如:?微環(huán)/微盤諧振器? 端面和光柵耦合器以及光子晶體等? 此外,?諸多功能光子器件也得以實(shí)現(xiàn)? 利用LN晶體卓越的電光和非線性光學(xué)效應(yīng),?在LNOI?上實(shí)現(xiàn)了高帶寬光電調(diào)制? 高效率的非線性轉(zhuǎn)換和電光可控光頻梳產(chǎn)生等多種光子功能器件?
LN還具有聲光效應(yīng),?在LNOI?上制備的聲光M-Z調(diào)制器,?利用懸浮鈮酸鋰薄膜上的光力學(xué)相互作用,?將頻率4.5GHz的微波轉(zhuǎn)換為了1500nm波長(zhǎng)的光,?實(shí)現(xiàn)了微波光信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換?
在藍(lán)寶石襯底的LN薄膜上制備的聲光調(diào)制器,?因?yàn)樗{(lán)寶石具有高的聲速,?可以避免器件的懸浮結(jié)構(gòu),同時(shí)減小了聲波能量的泄露?
在LNOI上制備的集成聲光移頻器,?其移頻效率髙于氮化鋁薄膜上的聲光移頻器?激光器和放大器在稀土摻雜的LNOI上已經(jīng)取得了重大進(jìn)展?
然而, LNOI的稀土摻雜區(qū)域?qū)νㄓ嵐獠ǘ斡忻黠@的光吸收,?限制了其大規(guī)模光子集成? 在LNOI?上探索局部稀土摻雜將是解決這一問題的好方法? 在LNOI?上沉積非晶硅可以制備光電探測(cè)器,?制備的金屬半導(dǎo)體，金屬光電探測(cè)器在波長(zhǎng)635-850nm的響應(yīng)度為22-37mA/ W?
同時(shí),?將III-V族半導(dǎo)體激光器和探測(cè)器異質(zhì)集成到LNOI上,?也是在LNOI上實(shí)現(xiàn)激光器和探測(cè)器的好方案,?但是制備工藝復(fù)雜,成本高,?需要完善工藝降低成本,?提高成功幾率??LNOI上的各種集成光子器件如下圖所示：
四、硅和鈮酸鋰復(fù)合薄膜技術(shù)
Si是廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料,?具有重要的電子學(xué)和微加工優(yōu)勢(shì)?
SOI?給電子集成器件帶來了諸多好處,?廣泛應(yīng)用于集成電路? 同時(shí), SOI還具有如下優(yōu)點(diǎn): Si?和SiO2之間具有大的折射率差,使其具有很強(qiáng)的限光能力和小的波導(dǎo)彎曲半徑;?在1200nm以上波段具有低的光吸收;?基于SOI的光子器件可以用CMOS工藝制備? 這使其在集成光學(xué)中也成為一種極具吸引力的材料平臺(tái)?但是, Si是中心對(duì)稱晶體,缺乏電光? 聲光和非線性光學(xué)等效應(yīng),?阻礙了其在集成光學(xué)中的發(fā)展?
如果將Si薄膜和LN薄膜結(jié)合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)材料性能互補(bǔ)和充分利用。
LNOI保留了LN?體材料卓越的電光? 聲光和非線性光學(xué)等效應(yīng),?同時(shí)具有大的折射率對(duì)比度,?被認(rèn)為是一種極具潛力的集成光學(xué)材料平臺(tái)?
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參考文獻(xiàn)：
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