硅基光电集成.ppt
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1、硅基光电集成现在学习的是第1页,共21页内容内容光子集成回路(Photon Integrated Circuit,PIC)和光电子集成回路(Optic Electronics Integrated Circuit,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。现在学习的是第2页,共21页简介
2、简介硅 基PIC、硅 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“。现在学习的是第3页,共21页材料OEICOEIC所所使使用用的的材材料料有有族族的的SiSi、GeGe和和I IV V族族化化台台物物的的GaAsGaAs、InPInP及及其其三三、四四元元合合金金等半导体材料。等半导
3、体材料。由由于于硅硅具具有有更更高高程程度度的的晶晶体体完完整整性性、优优良良的的机机械械。热热学学性性能能和和大大尺尺寸寸以以及及硅硅微微电电子子技技术术的的成熟性,在目前的成熟性,在目前的PICPIC、OEICOEIC研究中更加受到重视。研究中更加受到重视。现在学习的是第4页,共21页硅基光波导材料及其光传输损耗11 外延硅材料(nsin+一si、psip+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
4、,=1.30um其折射率n=3.505;=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。
5、现在学习的是第5页,共21页SOI光波导材料SOI(Silicon on InsulatoT)波导材料的制备方法有区熔再结晶(ZMR)、直接链合与背刻蚀(SDBBE)、氧离子注入隔离(sIMOx)等。zMRsOI光波导的损耗太大sDBBEsOI的硅单晶层质量好,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
6、。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o2pm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11pm不在1316啪的窗口,所以本征吸收是根小的。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o2dBcm,sIO。屡有泄露损耗”。A,FEva璐等m3通过调节sOI脊型波导的宽高比,研制的大截面sOI脊型光波导对x二131pm光的TE。(TM。)模的传输损耗26 dBcm。现在学习的是第6页,共21页si基siO2光波导材料sl基siO2光波导材料已广泛用于研制光干涉仪、热光开关阵列、分台束器、放大器、窄带滤波器、方向耦台
7、器、阵列波导光栅(AwG)等光通讯用器件以及谐振型光学陀螵仪的环形谐振腔等其制备方法有火焰水解法(FHD)、化学气相沉积(cVD)、溶胶凝胶法(soI Gel)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0.6 dBcm-1(=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,
8、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分束器的损耗低于05dBcm。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SolGel工艺“63制备光波导材料的原料有正硅酸乙脂(TEosAP级)、乙醇(cP级)与异丙醇(cP级)的混合物、去离子水、盐酸(AP级作催化剂用),用SolGel工艺得到凝胶膜后,在有一定湿度的气氛中进行热干燥处理,摄后得到SiO:光波导薄膜材料。可以通过调整原料配比、控制干燥过程的相对湿度和升温速率来调控材料的应力以至于不开裂,但厚度难以控制,制各材料的时间较长(数天),波导层与包层的折射率匹配不易调控。因为si
9、与sio。的晶格常数的差异,S。J一6eJ工艺制备的SiOz层的厚度通常只有不足lpm,太厚容易产生裂纹l且由于二者折射事相差太大而引起辆台失配现在学习的是第7页,共21页GexSi1-x/Si光波导材料迄今为止,GeSi材料已广泛用于研制光波导,MQw红外光探测器、光波导调制器、光波导定向耦合器、X和Y型光波导分支器。研制GexSi1-x/Si光波导材料的方法有MEB(分子束外延)、CVD、Ge扩散法等.现在学习的是第8页,共21页Si基GaAsGaAIAs光波导材料MOCVD制备丁高性能的GaAsGaAlAsGaAsSi材料。其制备步骤为:用直接生长法在1000。c的H。+AsH:气氛下对
10、硅片预处理;在400450c的TMG+H2+AsH3气氛下生长过渡层2025nm在700750C的TMG+H2+AsH3气氛下生长GaAs层1.01.5um;在720750C的TMG+H2+TAM+AsH3气氛下生长Ga0.7AI0.3As层约2.0um;在700750C的TMG+H2+AsH3,气氛下生长GaAs波导层0.42um。现在学习的是第9页,共21页硅基光波导器件的结构决定了它的用途,其性能的差异决定于构成硅基光波导材料的微结构及其材料各层之间的界面,这与材料的加工及成型技术密不可分当前的三屡结构光波导,是利用薄膜淀积技术先在衬底上生长过渡层再生长芯层,或者直接生长芯层,经过十法或
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