探究Si基微納集成光波導(dǎo)的理論設(shè)計

衛(wèi)星（銅陵學(xué)院，安徽　銅陵　244000）

探究Si基微納集成光波導(dǎo)的理論設(shè)計

衛(wèi)星
（銅陵學(xué)院，安徽銅陵244000）

摘要：科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高速電路系統(tǒng)的應(yīng)用也在隨之增多，大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨罅坎粩嘣黾?，對光傳輸系統(tǒng)也提出了更高的要求.傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)其傳輸性能已經(jīng)不能完全適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的要求，需要借助新的技術(shù)條件來提高電路系統(tǒng)的傳輸功能，這也是技術(shù)發(fā)展的方向.本文提出了包括微米、亞微米以至納米在內(nèi)的逐漸變化的微納集成結(jié)構(gòu)及其光導(dǎo)波，通過相關(guān)的理論研究和計算，收集到基于Si基微納半導(dǎo)體材料的參數(shù)設(shè)置，對其制作工藝進行簡化設(shè)計，為電光集成工藝的進一步發(fā)展提供了參考.

關(guān)鍵詞：硅基微納結(jié)構(gòu)；集成光波導(dǎo)；理論設(shè)計

目前，光導(dǎo)導(dǎo)波研究是光電集成及光互連主要實現(xiàn)形式，借助較成熟的電子工藝技術(shù)，將微電子工藝技術(shù)與導(dǎo)波理論相結(jié)合，實現(xiàn)光電集成，是研究的焦點.因此，硅基光導(dǎo)波的理論研究及實現(xiàn)形式是光電集成的重要方面.硅導(dǎo)波在實際應(yīng)用中可解決光對接和互連的問題，并能縮小內(nèi)部器件的體積，對提高集成速度產(chǎn)生重要意義，該項理論研究也為納米技術(shù)的進一步發(fā)展提供了更有利參考.

1理論研究的背景及現(xiàn)狀分析

1.1發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀，光科學(xué)和技術(shù)得到不斷重視和發(fā)展，并作為光通信技術(shù)的主要研究和發(fā)展方向，其中，光電子器件的體積和尺寸也也在逐漸縮小，其集成性能得到不斷提高.對光通信技術(shù)的研究，也成為了電子器件性價比提高的有效方式和途徑.目前，納米積水在生活和生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用發(fā)展，相應(yīng)的光電子器件從微米到亞微米，逐漸縮小，新型納米電光器件在光纖技術(shù)及通信系統(tǒng)的運用中，為技術(shù)發(fā)展做出貢獻的同時，也面臨著一系列問題.主要表現(xiàn)在微納米及納米等光導(dǎo)波材料體積的逐漸縮小，這就加大了器件與系統(tǒng)耦合過程中的損耗和適配率，也限制了光通信器件高度集成化的發(fā)展，要突破該項技術(shù)的限制，需要做好兩方面的工作.一方面，可采用直接將納米光電器件與納米材料進行集成，主要需要解決納米晶體與光通信系統(tǒng)中的單模光纖間的對接問題；另一方面，可采取集成微米和納米即微納集成的方法，研制新的光電集成器件，這種方法可以將微納米作為中介，實現(xiàn)光纖與器件之間的耦合，也在一定程度上縮小了器件及芯片的體積，相比之下，該項技術(shù)研究及思路設(shè)計其可操作性強，經(jīng)濟便捷.

1.2相關(guān)理論研究

當前，微納集成結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究主要是對光纖導(dǎo)波的研究中，主要有兩種導(dǎo)波形式，棱鏡光纖導(dǎo)波及透鏡光纖.二十一世紀初期，Chang等研究者在報道中提出了光纖波導(dǎo)中應(yīng)用相關(guān)的凸（凹）透鏡，完成望遠結(jié)構(gòu)的光纖導(dǎo)波研究，這是微納集成技術(shù)研究的新突破，但是在具體的實驗中，也給相關(guān)器件的設(shè)計制作提出了更高的要求，包括透視鏡的形狀、位置等，需要嚴格按照相關(guān)實驗的要求.本文在此研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的理論研究，設(shè)計從微米到納米這一變化過程中，微納集成光波導(dǎo)相關(guān)器件的結(jié)構(gòu)、理論依據(jù)和相關(guān)的模擬試驗等.

2　相關(guān)器件的結(jié)構(gòu)

2.1微納集成光導(dǎo)波設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖1微納集成光導(dǎo)波設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

本研究中所設(shè)計的器件，其結(jié)構(gòu)主要包括三個部分，主要有微米級波導(dǎo)、微米到深亞微米波導(dǎo)、納米波導(dǎo).具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖1所示.

在光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中，要實現(xiàn)單模與器件之間的對接耦合，通常情況下，微米單模波導(dǎo)的為10μm的寬度，不同級別的微米，需要取不同的寬度值，實現(xiàn)漸變式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這也是整個設(shè)計的重點所在.

2.2硅線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，硅線導(dǎo)波主要為單模通道型波導(dǎo)，主要包括硅芯和相應(yīng)的覆蓋層，主要是通過Si晶片支撐，其兩端均由光斑尺寸及轉(zhuǎn)換器，主要是用來擴大波導(dǎo)的模式場，起到連接低損耗的耦合器和硅導(dǎo)線.主要器件體積及尺寸的大小，則根據(jù)具體單模條件來設(shè)計，一般來講，覆蓋層其材質(zhì)應(yīng)該較厚，盡量減少其奧場與場之間的光泄漏.

3微納集成光波導(dǎo)模擬設(shè)計及結(jié)果分析

3.1模擬設(shè)計

通過對相關(guān)理論的具體分析，借助二維光束穿播放的相關(guān)理論，對設(shè)計的微納集成光導(dǎo)波實行模擬實驗，主要采用折射率約為3.51的輕度摻硅，空氣折射率約為1.0，波長的選擇則根據(jù)光纖通信系統(tǒng)中的波長，長度約為1.54μm，對光導(dǎo)波與相應(yīng)的錐形結(jié)構(gòu)光導(dǎo)波進行比較，其中的關(guān)系采用函數(shù)的表達形式，通常情況下，其關(guān)系式表示方法為：

y=exp（ax/l）-1

該項函數(shù)式中，x表示導(dǎo)波漸變過程中，其中任一點與末端的水平距離，l則表示波導(dǎo)長度，a是函數(shù)系數(shù).采用同樣的函數(shù)表示方法，可以對其他漸變波長進行相應(yīng)的分析，也可以對不同尺寸和體積的器件進行模擬計算.

3.2結(jié)果分析

通過一系列的模擬實驗，微納米集成光導(dǎo)波和傳統(tǒng)的錐形結(jié)構(gòu)比較，能在傳輸光信號，還可以實現(xiàn)器件與系統(tǒng)之間的對接耦合，從而減少器件的磨損，經(jīng)過模擬計算，得知這種指數(shù)結(jié)構(gòu)的連接方式，將微納集成光導(dǎo)波的損耗降低在3.0dB以下，延長了器件的使用壽命.但是需要指出的是，本模擬實驗中，并沒有對a的相關(guān)條件進行嚴格的限制，其取值范圍和要求并沒有相關(guān)的具體規(guī)定，但是在實際操作和應(yīng)用中，這一點的可行性較差，其取值受到內(nèi)外部環(huán)境的影響，很難達到實驗中的效果.這一點也不利于內(nèi)部器件的研制，需要進一步改進.

從以上數(shù)據(jù)分析可得知，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相關(guān)數(shù)值的計算方法，是在相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)之上，在波導(dǎo)兩端設(shè)置透鏡，這種設(shè)計較簡單，但是相關(guān)器件的制作商難度較大，其數(shù)值和尺寸大小都會對最后的結(jié)果產(chǎn)生影響，這就需要研究人員對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行嚴格的計算和模擬，保證實驗的準確度.

做為一種較為經(jīng)濟、減小較快且操作性較強的微納集成光波導(dǎo)，隨著科技的不斷進步，其在通用微納光電子器件中應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用.

4基于Si微納集成光波導(dǎo)未來發(fā)展前景

近些年來，硅光子學(xué)在研究發(fā)展中取得了很大的成績，并逐步由試驗階段走向?qū)嶋H應(yīng)用，并在多個領(lǐng)域得到很好地發(fā)展.Si作為一種新型的光學(xué)材料，其可信度也在不斷提升，一場技術(shù)性的革命也在隨之展開.因此，其在今后發(fā)展中應(yīng)用前景較為廣闊，將作為新的光學(xué)材料被納入更多的研究領(lǐng)域，為今后人類在光電通信技術(shù)的革新等方面發(fā)揮越來越重要的作用.在具體的發(fā)展應(yīng)用中，也需要注意關(guān)注一下幾方面的問題.

4.1重視小體積的納米量子點的作用

研究證明，不同的納米材質(zhì)其性能和作用也存在差異，其中，小體積、密度較高的納米量子點，尤其是有序硅基納米，其對結(jié)構(gòu)強度較大、穩(wěn)定性和發(fā)光效率都較高的基納米結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)起到關(guān)鍵性的作用，也是重要的有源區(qū)材料，在研究中需要對其生長機理、基本特點和材料特質(zhì)等進行仔細分析，要從真正意義上實現(xiàn)納米量子點，還需要考慮到不同硅材料的生長機理、相關(guān)的工藝加工技術(shù)、檢測技術(shù)等不同方面進行實驗研究.

4.2硅激光器的研究

光波導(dǎo)集成系統(tǒng)相關(guān)研究中，其中硅材質(zhì)激光器是重要的器件，在未來進一步的實驗研究中，需要重視相關(guān)材料類型、器件的組成結(jié)構(gòu)及形式等對實驗結(jié)果的影響，不斷對其組織結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，使其在具體應(yīng)用中能達到最佳效果.

4.3加強對導(dǎo)波層、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進行深入研究

當前發(fā)展中，其研究重點主要集中在光電通信系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中，很少關(guān)注到相關(guān)器件組成材料的損耗及其功能的具體實現(xiàn).硅基光導(dǎo)波及其結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件材料構(gòu)成在光傳輸過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，主要表現(xiàn)在光開關(guān)、光調(diào)制等方面，要實現(xiàn)其在光調(diào)節(jié)、光傳輸、高效連接耦合、減少器件損耗等方面的功效，這就需要對器件的研制層次進行嚴格管理，保證其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和硅光電集成上的重要作用.

4.4加強基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)研究

任何技術(shù)的研究發(fā)展，都離不開理論研究的支持，對硅材料的應(yīng)用，也要對相關(guān)的理論知識進行完整的了解和掌握.目前，國外對該項新技術(shù)的研究較多，其理論研究成果也較普遍.這為我國在新技術(shù)的掌握和應(yīng)用方面提供了很好的借鑒.新技術(shù)的革新，也要建立在相應(yīng)的理論研究的創(chuàng)新之上.基于該項技術(shù)在實驗研究中操作較為復(fù)雜，相關(guān)理論框架也較多，這就更加需要研究者對基本理論知識的掌握，在此基礎(chǔ)上加強新技術(shù)的應(yīng)用探究.如硅材料的基本屬性、光傳輸?shù)挠绊懸蛩?、光可探測的特性、系統(tǒng)設(shè)計的影響因素等.還需要對實驗研究的相關(guān)注意事項進行分析，總結(jié)研究前人的實驗經(jīng)驗，并對其不斷進行創(chuàng)新發(fā)展.

現(xiàn)發(fā)展階段，通信等傳輸還是以電子技術(shù)等為主，光子技術(shù)并未從真正意義上取代電子技術(shù)的發(fā)展，光傳輸在試驗階段雖然取得了良好的效果，但是在實際應(yīng)用中還存在很多限制性因素，嚴重阻礙了光傳輸?shù)陌l(fā)展.目前，具體研究中還存在技術(shù)成本相對較高的問題.國外有科學(xué)家預(yù)測，未來十年時間內(nèi)，電子技術(shù)與光技術(shù)的應(yīng)用其成本才會趨于一致，到時光技術(shù)的應(yīng)用范圍將會進一步擴大，硅基光子技術(shù)將得到全面發(fā)展，并可能取代當前的電子技術(shù)成為傳輸系統(tǒng)發(fā)展的主要潮流.而一旦Si微納集成技術(shù)趨于成熟，其實用性將大大提升，光信號在傳輸過程中所受到的干擾大為減少，實現(xiàn)硅材料與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中芯片的連接和耦合，也將掀起通信技術(shù)革命性的變革發(fā)展，當前計算機系統(tǒng)中的通信速度和模式將被取代，硅基微納集成技術(shù)在芯片處理等機上應(yīng)用中其效率較高出目前的幾十倍甚至是幾百倍.新的技術(shù)革命也隨之到來.

但是該階段的實現(xiàn)，不是一蹴而就的.需要不斷加強對硅材料及相關(guān)技術(shù)的研究力度，加強理論知識的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，積極總結(jié)前人的研究經(jīng)驗，目前發(fā)展階段，也要重視做好計算機系統(tǒng)在運算速度等當面的問題，為技術(shù)革命的到來做好充分的準備.

5　結(jié)語

綜上所述，通過一系列理論模型的建立和模擬實驗，設(shè)計出Si基半導(dǎo)體材料的微納集成光波導(dǎo)，主要用來解決和提高器件中芯片處理的速度，并完整實現(xiàn)器件與系統(tǒng)之間的連接耦合，該理論設(shè)計主要建立在對相關(guān)基礎(chǔ)理論及傳統(tǒng)技術(shù)的不斷革新上，在未來發(fā)展中，光技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是受到很多現(xiàn)實條件如成本問題、及時瓶頸等制約，發(fā)展中仍存在一定的問題.需要研究者在借助計算機運算系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重視對硅材質(zhì)及相關(guān)導(dǎo)波影響因素的影響，不斷實現(xiàn)和提高器件的集成度.

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中圖分類號：TN256

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）07-0057-03