ZnSe脊型光波导器件制备

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集成光学器件具有很多优良特性,如带宽高、传输速度快、尺寸小、功耗低、兼容性好,在通信技术的发展中扮演着重要的角色。集成光学技术是波导技术与光科学的融合,因此光波导是集成光学器件的关键。硒化锌(ZnSe)作为一种化学性质稳定的金属硫族化合物,不仅具有宽的透射范围,同时具有良好的非线性光学性能,这些特性使ZnSe成为制作波导元件的理想材料。目前国内关于ZnSe光波导方面的研究较少,制备工艺不够成熟,大大限制了其应用。因此,制备高性能、低损耗的ZnSe波导对光通信发展具有重要意义。本文主要通过仿真设计,调节波导结构改变零色散点波长,得到了最优波导结构参数,并计算非线性系数;实验上,优化了镀膜、光刻、刻蚀及去胶等相关工艺,制备出可用于非线性应用的仿真结构最优化的ZnSe波导,并测试该波导传输特性。为今后通过商用激光器泵浦ZnSe波导实现非线性应用奠定基础。主要内容如下:1.使用仿真软件设计不同ZnSe波导结构并分析,比较零色散点位置、有效模场面积及非线性系数。仿真表明脊宽4μm,脊高2μm波导具有最小零色散点波长(~2.47μm)和较高非线性系数(0.76 w-1m-1),仿真结果为后期光波导制备提供重要参考依据。2.探索薄膜制备工艺和波导光刻刻蚀工艺,确定最佳工艺参数。包括薄膜沉积温度为150 ℃,光刻坚膜参数为90 ℃、30 min,刻蚀ICP功率为700 W、Ar流量为50 sccm,以及残胶清洗和覆盖层沉积工艺。3.测试ZnSe波导的性能,包括薄膜和波导质量分析、波导传输特性。利用台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜、能谱仪、椭偏仪、X射线衍射仪、分光光度计及红外光谱仪对薄膜厚度、表面粗糙度、微观形貌、组分、折射率、晶相及透过率进行分析。结果表明,磁控溅射沉积薄膜组分均匀,表面粗糙度为3.18 nm,内部呈现柱状结构,透过率良好,沉积温度为150 ℃时晶相以(111)为主,衬底、覆盖层和芯层之间的折射率差使光很好的限制在芯层中。采用不同测试方法对波导的宏观与微观形貌表征分析,制备的波导结构完整,表面和侧壁光滑,具有良好的形貌。通过截断法测试脊宽为2、4和8μm的波导在1550 nm波长处的传输损耗,得到波导插入损耗与长度关系。波导的传输损耗分别为5.1 d B/cm、4.5 d B/cm和4.3 d B/cm,分析损耗产生原因主要是溅射薄膜质量较低与波导侧壁和表面粗糙度造成的散射,该波导可用于非线性光学研究。最后对本论文内容进行总结,指出了研究中发现的问题、可能面临的挑战及以后的研究方向。
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