光波導(dǎo)器件應(yīng)用及其表面光滑化研究綜述

唐海泉，張 輝，冀健龍，張 強(qiáng)，菅傲群，桑勝波，段倩倩

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西晉中 030600；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉中 030600)

光波導(dǎo)器件應(yīng)用及其表面光滑化研究綜述

唐海泉1,2，張 輝1,2，冀健龍1,2，張 強(qiáng)1,2，菅傲群1,2，桑勝波1,2，段倩倩1,2

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西晉中 030600；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉中 030600)

光波導(dǎo)器件在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景。而波導(dǎo)器件表面粗糙度影響傳輸光損耗和環(huán)形腔Q值，制約光波導(dǎo)器件的發(fā)展和應(yīng)用。目前常用波導(dǎo)器件表面和側(cè)壁光滑化方法有熱氧化法、激光束法和氫退火法，其中氫退火法有較好的光滑化效果，但對(duì)于氫退火工藝的機(jī)理并不清楚，無法進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。在對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，通過Materials Studio仿真分析，初步研究了退火機(jī)理，基于仿真研究結(jié)果，分析氫氣環(huán)境對(duì)退火過程的意義，為應(yīng)用氫退火工藝對(duì)波導(dǎo)器件光滑化實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

光波導(dǎo);光滑化;氫退火;表面粗糙度；光波導(dǎo)器件

1 光波導(dǎo)研究意義

隨著微系統(tǒng)集成制造技術(shù)與微小型光電器件的發(fā)展，光波導(dǎo)器件將向納米量級(jí)發(fā)展，以滿足大規(guī)模、高集成光電器件的需求。光波導(dǎo)是光透明介質(zhì)構(gòu)成傳輸光頻電磁波的導(dǎo)行結(jié)構(gòu)，在不同折射率的介質(zhì)界面上，電磁波的全反射將光波局限在波導(dǎo)及周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播，該特性使得光波導(dǎo)在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。作為典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，高品質(zhì)因數(shù)(Quality factor，Q值)硅基納米波導(dǎo)諧振腔具有彎曲半徑小、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容、易于芯片集成、能夠極大地縮小光子器件的體積，降低功耗的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模光電集成納米器件。隨著納米材料制造前沿技術(shù)的發(fā)展，在硅基芯片上實(shí)現(xiàn)高Q值光波導(dǎo)微諧振腔成為可能，使其在集成全光網(wǎng)絡(luò)[1-3]、集成芯片光源[4]、高靈敏度傳感器[5]、微光學(xué)器件[6]、微光陀螺儀[7]等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 光互連網(wǎng)絡(luò)模型
Fig.1 Optical interconnection network model

在集成全光網(wǎng)絡(luò)方面，采用超低損耗光波導(dǎo)研制的高集成度、高選擇比和信噪比的波分復(fù)用器、濾波器、光開關(guān)等光學(xué)器件，有望用來提高光網(wǎng)絡(luò)的速度、降低光器件的能耗，從而推動(dòng)全光通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展。如圖1所示的光互連網(wǎng)絡(luò)模型，每一個(gè)樞紐(hub)利用波導(dǎo)互連，多路波分復(fù)用技術(shù)(WDM)提升了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)路由，信號(hào)在很短時(shí)間內(nèi)(t<2ns)就可實(shí)現(xiàn)各個(gè)hub間的互連，且利用環(huán)形腔可使“選擇性”網(wǎng)絡(luò)做得更小。在芯片光源研究方面，高Q值波導(dǎo)諧振腔使波導(dǎo)諧振腔內(nèi)具有高相干光能量密度，進(jìn)而降低了激光的發(fā)射閾值，為研制超低閾值微型激光器提供新的思路[6]。RONG等[4]基于硅基微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，利用1 550nm激光作為激發(fā)源對(duì)硅基光波導(dǎo)進(jìn)行激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了輸出波長為1 686nm的零偏壓、超低閾值(20mW)、高輸出功率(50mW)、連續(xù)波拉曼激光器，如圖2a)所示。FAN等[5]也利用高Q值的硅基微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)了全光二極管，如圖2b)所示。在生化檢測(cè)研究方面，基于高Q值硅基光波導(dǎo)微環(huán)諧振腔可構(gòu)建高集成度、高靈敏度、低探測(cè)限的生物化學(xué)傳感器，是目前國際上研究的熱點(diǎn)話題。圖2c)和圖2d)所示高Q值、超敏感、小體積的回音壁模式(WGM)光學(xué)傳感器，在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境等方面應(yīng)用廣泛，可利用高Q值WGM傳感器來檢測(cè)生物分子、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，分級(jí)組裝和輸運(yùn)納米粒子，控制光傳輸?shù)萚8-9]。研究人員將WGM模式的SOI基平面微環(huán)光學(xué)傳感器應(yīng)用在臨床，無標(biāo)記監(jiān)測(cè)未稀釋血清中的蛋白質(zhì)生物標(biāo)記物，達(dá)到了極高的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。對(duì)這些高靈敏度生物化學(xué)傳感器而言，很重要的一個(gè)前提就是諧振腔需具有高Q值。因此，制備出低損耗、高Q值的波導(dǎo)諧振腔對(duì)此類生物傳感器的性能提升有極其重要的意義。

圖2 基于硅基微環(huán)諧振腔構(gòu)成的傳感器
Fig.2 Sensor with Si based micro ring resonator

綜上所述，高Q值硅基光波導(dǎo)諧振腔有著廣泛的應(yīng)用前景和研究意義。但是，目前中國對(duì)光波導(dǎo)器件的研究還處于前期探索性階段，有許多基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)有待突破。其中光波導(dǎo)表面粗糙度引起的傳輸損耗，嚴(yán)重影響了光學(xué)諧振腔Q值的提高，高Q值微環(huán)諧振腔的優(yōu)化制造制約了波導(dǎo)在傳感器、濾波器、光開關(guān)等方面的應(yīng)用研究。波導(dǎo)制造的關(guān)鍵在于保證光波導(dǎo)一致性的前提下，降低光波導(dǎo)表面的粗糙度，從而在根本上降低光傳輸損耗，提高微環(huán)諧振腔Q值[11]。

2 降低波導(dǎo)表面粗糙度研究現(xiàn)狀

國際上光波導(dǎo)相關(guān)研究主要基于SOI(silicon-on-insulator，絕緣襯底上的硅)材料(如圖3所示)，因?yàn)槎趸枧c硅晶體之間具有較大折射率差，可實(shí)現(xiàn)小尺度低損耗波導(dǎo)的制備和集成[12]，因此，該部分主要論述基于SOI材料的波導(dǎo)諧振腔的相關(guān)研究。SOI材料作為波導(dǎo)器件研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，具有與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容、適合應(yīng)用于光電子系統(tǒng)、可批量制造、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[13]。微環(huán)諧振腔作為集成光學(xué)系統(tǒng)的基本單元，在制作工藝和技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。

2.1 波導(dǎo)Q值和表面光滑化方法

環(huán)形腔波導(dǎo)材料對(duì)環(huán)形腔Q值具有決定作用，目前廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)的材料主要是硅、硅基SiO2以及SOI結(jié)構(gòu)。加利福尼亞科技研究所制造的SOI環(huán)形諧振腔，Q值范圍為4.5×104～5.7×104[13]，美國Cornell大學(xué)的研究人員通過工藝優(yōu)化，采用選擇性熱氧化工藝制備了納米光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔[16](如圖4所示)，并采用受激布里淵激光結(jié)合傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微腔大小的控制，并且將諧振腔的Q值提高到8.75×108[17]。

圖3 典型的SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
Fig.3 Typical SOI nanometer optical waveguide configuration

圖4 熱氧化工藝制備波導(dǎo)微腔
Fig.4 Thermal oxidation process for the preparation of waveguide cavity

為了降低波導(dǎo)表面粗糙度，目前應(yīng)用較為廣泛的是基于表面自由能最小化的方法：熱氧化[16-17]、激光束法[18]、高溫氫退火[19]等處理工藝。LEE等[19]采用了高溫氫退火后處理工藝，該工藝中表面硅原子的遷移過程以及表面光滑效果如圖5所示。經(jīng)過高溫氫氣退火后，側(cè)壁的粗糙度有了明顯的降低。

圖5 高溫氫退火硅原子遷移過程及光滑效果
Fig.5 Si atoms migration process and smoothing effect in high temperature hydrogen annealing process

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱氧化工藝[16-17]將會(huì)消耗大量的硅(約為表面粗糙度10倍以上)，容易對(duì)器件造成損害。激光束法具有很高的空間分辨性，但是對(duì)設(shè)備的要求較高，操作比較復(fù)雜，而且效率低，無法進(jìn)行大批量的實(shí)驗(yàn)。而氫退火表面處理工藝則不存在這些問題，是一種高效環(huán)保的表面光滑化處理方法。氫氣氛圍高溫熔融狀態(tài)下，表面硅原子的移動(dòng)性增強(qiáng)，原子的遷移使得總的表面能趨于最小化，粗糙表面趨于平滑，而總的體積并不會(huì)減小[19]。高溫氫退火工藝已經(jīng)被驗(yàn)證可用來降低光波導(dǎo)表面的粗糙度，有一定的光滑效果。

中國已經(jīng)初步具備了基于SOI光波導(dǎo)的制造工藝，在SOI光波導(dǎo)諧振腔相關(guān)領(lǐng)域也積累了一定的研究基礎(chǔ)。總體來看，在制作工藝和技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)諧振腔已不存在問題，但是對(duì)SOI光波導(dǎo)表面粗糙度的問題研究非常少，尚未在低損耗高Q值波導(dǎo)諧振腔的表面光滑化技術(shù)上取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)超低損耗、高Q值波導(dǎo)諧振腔仍具有極大的挑戰(zhàn)，波導(dǎo)表面粗糙度是影響波導(dǎo)器件Q值的重要因素。同時(shí)，國內(nèi)對(duì)于波導(dǎo)表面光滑化工藝的內(nèi)在機(jī)理不是十分清晰，并沒有建立光波導(dǎo)表面光滑化處理相應(yīng)的工藝參數(shù)模型。因此，深入研究硅基波導(dǎo)表面光滑化機(jī)理成為制造高Q值波導(dǎo)諧振腔亟待解決的關(guān)鍵問題。

2.2 氫退火的基本原理

利用氫退火方法進(jìn)行波導(dǎo)表面和側(cè)壁的光滑化處理，選擇合適的退火條件至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)包括氫氣的濃度和流量、退火溫度、壓強(qiáng)和退火時(shí)間等。目前，很多研究工作利用Mullins’Model定性描述粗糙的硅表面在氫退火氛圍中的變化情況。通過該模型，可以得到硅表面在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的變化趨勢(shì)，進(jìn)而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高實(shí)驗(yàn)效率。

在退火反應(yīng)過程中，假定表面只發(fā)生擴(kuò)散過程，μ(K)表示表面上由曲率為0點(diǎn)轉(zhuǎn)移至曲率為K點(diǎn)的單個(gè)原子的化學(xué)勢(shì)的增量，其表達(dá)式如式(1)所示:

(1)

式中：K表示表面曲率；γ表示單位面積上的表面自由能；Ω表示分子體積。

由式(1)可以看出，沿表面化學(xué)勢(shì)的梯度與曲率的梯度呈正相關(guān)，這一梯度會(huì)驅(qū)使表面原子的遷移，平均遷移速率表示如下，稱為Nernst-Einstein關(guān)系式[20]：

(2)

式中：Ds表示表面擴(kuò)散系數(shù)；s表示沿剖面方向的弧長。原子的表面流J是單位面積內(nèi)原子個(gè)數(shù)v乘以平均遷移速率V的結(jié)果，如式(3)所示:

(3)

如果已知表面散度J，則可以求得單位時(shí)間內(nèi)單位面積上原子數(shù)目的增量。由此可以推導(dǎo)出沿表面元法向的原子運(yùn)動(dòng)速率rn，如式(4)所示：

(4)

式(4)即Mullins’Model[20-21]，該公式是在理想條件下對(duì)氫退火過程進(jìn)行分析描述，可以看出波導(dǎo)表面原子的遷移速率主要由波導(dǎo)材料特性(Ω，v)、表面擴(kuò)散系數(shù)(Ds)、溫度(T)和表面曲率(K)的梯度影響。

雖然該公式可以在一定程度上顯示外部條件(如溫度)對(duì)氫退火過程的影響，但是，該模型中所涉及的部分參數(shù)(表面自由能γ，表面擴(kuò)散系數(shù)Ds，平均遷移速率V)無法通過測(cè)試獲得，同時(shí)實(shí)驗(yàn)條件(壓強(qiáng)，氣體流量)與這些參數(shù)的映射關(guān)系也不明確。更重要的是，該模型無法從分子層面反應(yīng)退火過程，揭示其物理化學(xué)機(jī)理。上述原因決定了該模型只能大致預(yù)測(cè)部分參數(shù)(溫度，壓強(qiáng))對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的改變趨勢(shì)，而不能全面精確分析實(shí)驗(yàn)條件對(duì)退火結(jié)果的影響。只有從分子層面深入了解氫退火反應(yīng)過程，明確反應(yīng)機(jī)理，才能為退火實(shí)驗(yàn)提供分析基礎(chǔ)。

3 退火過程機(jī)理研究

圖6 有氫氣與非氫氣條件下表面硅原子均方根位移
Fig.6 Root mean square displacement under the conditions of with and without hydrogen

本文基于MaterialsStudio軟件模擬，初步仿真了高溫條件硅氫鍵對(duì)表面硅原子活性的影響。根據(jù)LEE等人的氫退火實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)定模擬溫度為1 100 ℃，控溫函數(shù)為Andersen；模擬時(shí)長設(shè)定為300ps，控制退火溫度為1 100 ℃時(shí)[22]，分別在氫氣氛圍下和非氫氣氛圍下，對(duì)SOI結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，其均方根位移隨退火時(shí)間變化曲線[23]如圖6所示。圖中模型所示為動(dòng)態(tài)模擬過程中截取的單幀圖像。對(duì)于純硅而言，熔點(diǎn)為1 414 ℃，沸點(diǎn)為3 265 ℃，如果退火溫度過高，會(huì)對(duì)波導(dǎo)器件產(chǎn)生不可逆的損壞。一般而言，硅晶體具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，常溫條件下，波導(dǎo)表面硅原子運(yùn)動(dòng)并不明顯。當(dāng)溫度升高時(shí)，整個(gè)晶胞吸熱，原子運(yùn)動(dòng)加劇，吸熱后容易與周圍原子結(jié)合形成新鍵。由于氫氣為氣體分子，常溫狀態(tài)下處于無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)加劇，易與表面硅原子碰撞結(jié)合形成硅氫鍵，加速表面硅原子運(yùn)動(dòng)。均方根位移是粒子運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)平均，描述體系內(nèi)所有粒子在任意時(shí)刻離開初始位置的位移情況，記錄體系的動(dòng)力學(xué)行為，表征體系的擴(kuò)散能力。對(duì)比無氫氣條件而言，氫氛圍下原子均方根位移明顯增加(從0.1提升到了0.9)。

氫退火技術(shù)提高波導(dǎo)器件Q值的關(guān)鍵在于明確退火過程中硅與氫氣的反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而以此為依據(jù)調(diào)整退火實(shí)驗(yàn)中的退火時(shí)間、退火溫度，壓強(qiáng)和流量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而使側(cè)壁及表面光滑化達(dá)到較好的效果。上述仿真主要通過模擬氫氣氛圍和非氫氣氛圍下的硅晶體形貌的改變，證明氫氣在退火過程中的作用，高溫下氫氣與表面活躍的硅原子形成硅氫鍵，硅氫鍵大大提高了硅表面原子的均方根位移，從而使得波導(dǎo)表面及側(cè)壁變得光滑。該結(jié)果表面，硅氫鍵的形成及成鍵數(shù)量是硅表面形貌結(jié)構(gòu)變化的重要因素。在以后的工作中，將繼續(xù)進(jìn)行其他退火條件的仿真研究，深入分析壓強(qiáng)和流量等參數(shù)，為光滑化實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

本文介紹了光波導(dǎo)器件在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景，分析了波導(dǎo)器件表面光滑化的主要方法。氫退火技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛且效果最好的光滑化方法，但是對(duì)氫退火技術(shù)的研究大多基于實(shí)驗(yàn)，沒有深入研究其內(nèi)部機(jī)理，無法提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整，從而限制了光滑化實(shí)驗(yàn)效果，導(dǎo)致波導(dǎo)器件Q值無法繼續(xù)提高。本文初步研究了氫退火過程光滑化的機(jī)理，基于仿真研究結(jié)果，分析了氫氣環(huán)境對(duì)于退火過程的意義。本文作者團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)對(duì)該課題進(jìn)行深入研究，項(xiàng)目進(jìn)展和具體成果會(huì)在后續(xù)文章中詳細(xì)論述。隨著對(duì)氫退火機(jī)理研究的不斷深入，提高波導(dǎo)器件側(cè)壁的光滑度，制造出高Q值波導(dǎo)器件會(huì)在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。

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Review of applications and surface smoothing mechanisms of optical waveguide devices

TANG Haiquan1,2, ZHANG Hui1,2, JI Jianlong1,2, ZHANG Qiang1,2,JIAN Aoqun1,2, SANG Shengbo1,2，DUAN Qianqian1,2

(1. School of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong,Shanxi 030600, China；2. Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education and Shanxi Province, Jinzhong, Shanxi 030600, China)

Optical waveguide devices are widely used in many fields and have good development prospects. But surface roughness of waveguide device induces a passive effect on the light transmission loss and theQvalue of ring cavity, which restricts the development and applications of optical waveguide devices. Currently, the common used surface and side wall smoothing methods for waveguide devices are the thermal oxidation method, laser beam method, and hydrogen annealing method, and the surface hydrogen annealing method has better smoothing effect. However, the mechanism of hydrogen annealing method is still not clear so far, thus the experimental parameters cannot be further optimized to obtain optimal experimental result. Based on the review of the contents mentioned above, the hydrogen annealing mechanism is primarily studied through the simulation analysis by Materials Studio, which provides theoretical foundation and guidance for smoothing of waveguide device by hydrogen annealing technology.

optical waveguide； smoothing； hydrogen annealing； surface roughness； optical waveguide devices

1008-1542(2017)01-0026-06

10.7535/hbkd.2017yx01005

2016-06-21；

2016-09-10；責(zé)任編輯：李 穆

國家自然科學(xué)基金(51505324,91123036)

唐海泉(1990—)，男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事納米光波導(dǎo)方面的研究。

段倩倩博士。E-mail：wwhwls@163.com

TN305.2

A

唐海泉，張 輝，冀健龍，等.光波導(dǎo)器件應(yīng)用及其表面光滑化研究綜述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(1):26-31. TANG Haiquan, ZHANG Hui, JI Jianlong, et al.Review of applications and surface smoothing mechanisms of optical waveguide devices[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(1):26-31.