基于鈦酸鋇晶體薄膜的氮化硅脊形波導

孫翔宇　孫德貴

摘要：本文通過Opti-BPM軟件設計了一種新型的脊形光波導器件，并分析了不同寬度、厚度及底模的厚度對這種光波導器件輸出功率的影響，加工成實驗樣片，進行在光學耦合平臺上測試，將兩種結果相對比。先在BaTiO3薄膜上沉積Si3N4薄膜，刻蝕出Si3N4脊，形成基于鈦酸鋇晶體薄膜的氮化硅脊形波導。

關鍵詞：Si3N4薄膜 光波導 等離子體刻蝕

隨著光通信技術的快速發展，光通信領域對信息存儲量和傳輸速度的要求越來越高，對新型集成光通信器件的研究與開發成為亟待解決的問題之一。為了適應光信息技術和光通信技術的發展需求，集成光學技術漸漸發展起來，逐步走向微小型化和集成化。

由于光波導技術能達到智能光電器件的要求，目前人們越來越重視研究各類型的光波導器件，研究方向是把各類型的電光調制器、光交換器件、光波導器件等有源和無源器件與控制電路建立在一個半導體上，令它具有光路連接耦合和控制光電子器件等多種器件功能，還能實現聲光、電光、磁光、光電等物理效應。與之前的分立元件相比，目前的光波導器件由于逐漸向高折射率差、亞微米級、高調制效率和速度以及高兼容性等方向發展，所以具有集成度高、功耗較低、可應用性高和穩定性好等優點，可以達到高效能的通信功能。

一、基于鈦酸鋇薄膜的氮化硅脊形波導結構設計

本設計的是對稱的脊形波導結構。在脊形波導層沉積一層SiO2薄膜，厚度為1μm， 在波長為1550nm下，MgO、BaTiO3、Si3N4和SiO2的折射率分別為1.7、2.29、2和1.45。

波導的結構影響著波導的光傳輸損耗的，影響光傳輸損耗的幾個因素為波導層的厚度、脊形波導的脊寬和脊高等，本文分析了不同結構參數下波導的平均損耗率的大小，選擇光學損耗小的波導結構，對比分析時，找到有效折射率的唯一值，確保光波導可以實現單模的輸出。

（一） BaTiO3-Si3N4脊形波導的模擬

利用Opti-BPM軟件對波導結構進行設計，選定Si3N4脊高H1為0.2μm，Si3N4脊寬Wr分別為3μm和4μm，改變BaTiO3薄膜厚度H2。在TE模式下對比分析幾個不同波導結構的平均損耗率和有效折射率的大小。

從表1中可以看出，當Si3N4脊寬3μm，H2厚度為450nm時，平均損耗率值為最小，其增厚平均損耗率逐漸增大，但變化值比較小，當其厚度減小時，平均損耗率增加量很大；當Si3N4脊寬為4μm時，與3μm時平均損耗的變化規律相同。

表2所表示的是Si3N4脊高為0.2μm時，BaTiO3的厚度從350nm-550nm有效折射率值，隨著BaTiO3厚度的增大，有效折射率也增大，在平均損耗率最小時，有效折射率也在2.0以上，所以，選擇了BaTiO3為450nm厚度。保持BaTiO3的厚度不變，改變Si3N4脊寬和脊高，對不同的波導結構的二維光場分布、平均損耗率和有效折射率進行分析。

（二）掩膜板的設計

在BaTiO3薄膜樣片上分別設計波導寬度為2.0、3.0、4.0、5.0μm八個寬度值的Si3N4波導條，分上下兩組，為了避免光信號之間的串擾，波導中心間隔為127μm。

二、氮化硅薄膜的沉積

Si3N4薄膜的制備，利用化學氣相沉積法來完成。PECVD法沉積薄膜的優點有很多，它可在較低溫度下成膜，由于等離子體激活反應粒子，由此取代傳統的加熱激活，使薄膜的成膜溫度降低，因此易于蒸鍍較厚的非靜態膜，如氧化硅和氮化硅，而無太大的應力引起的材料雙折射效應；薄膜的成分可以控制，容易生長多層膜，成分和厚度易于控制；可以大面積成膜，沉積薄膜的均勻性較好。

利用化學氣相沉積法沉積氮化硅（Si3N4）薄膜，其中對于氮的來源，常用的反應氣體是氨氣NH3；對于Si的來源，選擇硅烷（SiH4）作為反應氣體，反應溫度較低，易于成膜，反應氣體還有氨氣（NH3）和氮氣（N2）。

將樣片放入沉積室，抽真空，使真度達到10Pa，關上機械泵和羅茨泵，打開干泵和分子泵，當真空度達到1.2×10-3 Pa時，開始加熱樣片，溫度為300°C，持續30分鐘。通入反應氣體NH3、SiH4，和N2，通過MFC流量計調節各反應氣體的流量。其中SiH4 流量是120sccm，NH3 流量是30sccm ，N2流量是 150sccm。充入氣體后工作氣壓變為50Pa。

打開射頻功率源功率調到52W，反射功率為2W，所以實際功率為50W，此時偏壓為115V，沉積時間為10分鐘，沉積結束后，停止加熱，當溫度低于100°C時，即可打開沉積室取出薄膜樣品。

三、Si3N4光刻工藝技術

光刻工藝是微圖形制作技術里的關鍵的技術之一，光刻工藝流程包括底模處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕和去膠等步驟，重點講述一下刻蝕。

本次刻蝕采用的是等離子體刻蝕（ICP）技術。它具有重復性好、刻蝕速率快、刻蝕表面粗糙度小等優點。等離子體刻蝕的過程相對復雜，既包括物理刻蝕過程，還包括化學刻蝕過程。物理過程主要是通過輝光放電使氬氣電離，電離后的正離子在偏壓的作用下，加速運動，轟擊到樣片表面，從而完成物理刻蝕的過程。

四、結語

將加工出的樣片，通過光纖耦合平臺進行性能測試，利用CCD Camera觀察輸出端光點，從輸出模式上可以判斷出是單模導波輸出，共加工測定了3條長度為8mm的直波導，獲得的包括光纖-芯片端面耦合在內的總的平均光損耗為18dB，與軟件模擬結果基本一致。經過對此波導結構的研究，為光通信的發展奠定了一定的基礎。

參考文獻：

[1]西原浩，春明正光，棲原敏明.集成光學[M].北京：科學出版社，2005.

（作者單位：長春理工大學）