氧化硅波导光开关应力与热传导特性的研究

作     者：孙庆雨 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙德贵

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：应力 热光开关 光波导技术 氧化硅薄膜 等离子体化学气相沉积 

摘      要：基于硅基光波导的平面光波电路(Planar Lightwave Circuits,PLC)技术,因其在晶片批量生产中的先进性,使其正在推动功能部件的应用以满足工业增长的需求。在本文中,研究了PLC技术中马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型2x2热光开关器件的薄膜应力特性和热传导特性及其对器件光学性能的影响。首先,利用理论模型和数值模拟研究所有膜层之间的相互作用,在6英吋硅晶片上发现了非线性分布的结构应力,是传统应力理论中热应力和薄膜生长应力之外的应力。通过对SiO薄膜沉积过程中的热应力、生长应力和结构应力进行数值计算获得了剩余应力,发现与实验结果更加接近,从而进一步证明了所用理论模型之精确,同时在模拟过程中还发现基底的初始曲率对后期多层薄膜之间的结构应力有明显的影响,进而分析这些应力之间的平衡过程及其在晶片上的分布。利用等离子体化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD),分别从理论研究和镀膜工艺上对6英吋硅晶片上的SiO薄膜应力的变化情况和折射率的分布规律进行研究和改进,发现了薄膜芯层通过GeH流量而不是SiH流量改变折射率时可提高薄膜均匀性并减小应力。另外,利用MZI型2x2热光开关器件研究其开关过程中的热传导特性,进而对热光开关功耗和速度进行优化。通过数值计算、光波传输方法软件模拟、热流传导过程的COMSOL模拟和实验研究,发现了基于热光效应的MZI型光开关的开关功耗和开关速度与上包层厚度和热流传导过程有关。同时,实验研究表明,薄膜的光折射率与应力在晶片上的分布对器件光损耗与偏振相关损耗性能有明显的影响。PLC集成器件的商业应用需要在产品研发中获得均匀的性能分布和批量生产中获得高良品率,因此稳定的光学性能和产品成品率是需要关注的重要问题。