钛酸钡晶体薄膜波导的优化设计及加工技术的研究

发布时间：2020-11-19 22:07

　　 光通信行业的蓬勃发展,是与不断更新换代光集成器件的研究与开发密不可分的,光波导是光集成器件的核心部分,由它衍生出来的光器件种类繁多。目前在国内常用的光波导的材料为聚合物、铌酸锂晶体和半导体等。铌酸锂电光调制器件作为目前应用中性能最稳定最快的电光器件受到材料自身性质的限制,在调制速率方面很难有提升的空间,所以,在人们研究具有更高电光特性的材料中发现,钛酸钡(BaTiO_3)晶体材料具有电光系数高,稳定性好及易加工形成波导的特点。这一发现使得该材料在高速电光调制器件的领域中具有重要的研究价值。本论文课题针对BaTiO_3晶体薄膜波导的性质和波导成模理论研究脊形波导的单模条件,并设计出两种基于BaTiO_3晶体薄膜的脊形波导,即(1)在BaTiO_3薄膜上沉积并刻蚀Si_3N_4脊形波导;(2)直接刻蚀BaTiO_3薄膜形成全BaTiO_3脊形波导。利用软件完成了两种波导光传输损耗的模拟,进而根据模拟结果对器件结构进行优化设计,最后加工出了试验样品。对两种波导的光传输损耗的模拟显示了全BaTiO_3脊形波导较BaTiO_3/Si_3N_4的优越性。波导加工经过脉冲激光沉积(PLD)技术生长BaTiO_3薄膜、化学气相沉积法(PECVD)沉积Si_3N_4薄膜、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术。模拟结果:在0.5μm厚的BaTiO_3薄膜上形成脊高从0.1到0.5μm,脊宽从2.0到5.0μm,BaTiO_3/Si_3N_4脊形和全BaTiO_3脊形直波导都可实现TE单模,传输损耗率都在0.05dB/mm左右。然而,对于弯曲波导,BaTiO_3/Si_3N_4脊形波导在R=10mm时,最低光传输损耗率约为0.3dB/mm,是对应直波导的5倍,全BaTiO_3脊形波导在R=2mm时的光传输损耗率为0.2dB/mm,是对应直波导的4倍。利用8mm长的波导样品得到的实验结果表明,全BaTiO_3脊形波导比BaTiO_3/Si_3N_4脊形波导的光损耗小3dB,在R=5mm时前者的光损耗比直波导平均高3dB,而后者的光损耗却是直波导的2倍,从而验证了:全BaTiO_3脊形波导在弯曲光损耗方面比BaTiO_3/Si_3N_4波导的具有明显的优越性。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN252;TB383.2
【部分图文】：

发表了关于 BTO 晶体薄膜生长的 100GH[12]。业大学的丁帅硕士在王建副教授的指导下完成基础研究为题目的毕业论文，该论文对 BTO 设计进行了研究[13]。国国家光电子学技术研究所的 A. Petraru 研究团体薄膜波导的高速电光调制器的基础性研究成果4]-[16]。

图 1.1 A. Petraru BaTiO3晶体薄膜波导器件结构示意图2004 年，美国西北大学 B. W. Wessels 和 S. T. Ho 教授的联合和 D. G. Sun 为主要负责人，生长准单晶结构的具备高电光系原理上研究基于 BaTiO3 晶体薄膜波导的高带宽低电压电光拟与优化设计，给出了超过 40GHz 带宽 BaTiO3晶体薄膜电2010 年，该实验组把光子晶体引入 BaTiO3晶体薄膜改进电 年发表的论文报道了调制带宽已经突破 50GHz，他们在实验上导调制器在低半波电压驱动下可应用在中红外与近红外波段

IBM 在瑞士苏黎世的研究中心以 Stefan Abel 博士的课题组，在期Communications 上发表了在硅基底(SOI 平台)上生成 BTO 晶体薄膜波导实现电光特性的测试，并对调制电压对光偏振态的影响[21]。2014 年，美国耶鲁大学 Wolfram Pemice 和 Hong Tang 等人在期刊 IEEETechnology 发表了在 SOI 平台上生长 BTO 晶体薄膜，利用非晶态硅，形成进而设计并加工电极，实现了电光调制器[22]。2015 年，西班牙瓦伦西亚理工大学，纳米光子学中心，Pau Castera 教授发表了关于SOI基底上生长BaTiO3晶体薄膜设计槽式波导并在此基础上进行方法与效率的研究成果[23]。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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相关硕士学位论文 前2条

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本文编号：2890505