唐海泉，張 輝，冀健龍，張 強，菅傲群，桑勝波，段倩倩

(1.太原理工大學信息工程學院，山西晉中 030600；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，山西晉中 030600)

光波導器件應用及其表面光滑化研究綜述

唐海泉1,2，張 輝1,2，冀健龍1,2，張 強1,2，菅傲群1,2，桑勝波1,2，段倩倩1,2

(1.太原理工大學信息工程學院，山西晉中 030600；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，山西晉中 030600)

光波導器件在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應用和良好的發(fā)展前景。而波導器件表面粗糙度影響傳輸光損耗和環(huán)形腔Q值，制約光波導器件的發(fā)展和應用。目前常用波導器件表面和側(cè)壁光滑化方法有熱氧化法、激光束法和氫退火法，其中氫退火法有較好的光滑化效果，但對于氫退火工藝的機理并不清楚，無法進一步優(yōu)化實驗參數(shù)，達到最佳實驗效果。在對上述內(nèi)容進行綜述的基礎(chǔ)上，通過Materials Studio仿真分析，初步研究了退火機理，基于仿真研究結(jié)果，分析氫氣環(huán)境對退火過程的意義，為應用氫退火工藝對波導器件光滑化實驗提供理論指導。

光波導;光滑化;氫退火;表面粗糙度；光波導器件

1 光波導研究意義

隨著微系統(tǒng)集成制造技術(shù)與微小型光電器件的發(fā)展，光波導器件將向納米量級發(fā)展，以滿足大規(guī)模、高集成光電器件的需求。光波導是光透明介質(zhì)構(gòu)成傳輸光頻電磁波的導行結(jié)構(gòu)，在不同折射率的介質(zhì)界面上，電磁波的全反射將光波局限在波導及周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播，該特性使得光波導在通信領(lǐng)域有著廣泛的應用。作為典型的波導結(jié)構(gòu)，高品質(zhì)因數(shù)(Quality factor，Q值)硅基納米波導諧振腔具有彎曲半徑小、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容、易于芯片集成、能夠極大地縮小光子器件的體積，降低功耗的優(yōu)點，廣泛應用于大規(guī)模光電集成納米器件。隨著納米材料制造前沿技術(shù)的發(fā)展，在硅基芯片上實現(xiàn)高Q值光波導微諧振腔成為可能，使其在集成全光網(wǎng)絡(luò)[1-3]、集成芯片光源[4]、高靈敏度傳感器[5]、微光學器件[6]、微光陀螺儀[7]等領(lǐng)域有著重要的應用價值。

圖1 光互連網(wǎng)絡(luò)模型
Fig.1 Optical interconnection network model

在集成全光網(wǎng)絡(luò)方面，采用超低損耗光波導研制的高集成度、高選擇比和信噪比的波分復用器、濾波器、光開關(guān)等光學器件，有望用來提高光網(wǎng)絡(luò)的速度、降低光器件的能耗，從而推動全光通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展。如圖1所示的光互連網(wǎng)絡(luò)模型，每一個樞紐(hub)利用波導互連，多路波分復用技術(shù)(WDM)提升了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)路由，信號在很短時間內(nèi)(t<2ns)就可實現(xiàn)各個hub間的互連，且利用環(huán)形腔可使“選擇性”網(wǎng)絡(luò)做得更小。在芯片光源研究方面，高Q值波導諧振腔使波導諧振腔內(nèi)具有高相干光能量密度，進而降低了激光的發(fā)射閾值，為研制超低閾值微型激光器提供新的思路[6]。RONG等[4]基于硅基微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，利用1 550nm激光作為激發(fā)源對硅基光波導進行激發(fā)，實現(xiàn)了輸出波長為1 686nm的零偏壓、超低閾值(20mW)、高輸出功率(50mW)、連續(xù)波拉曼激光器，如圖2a)所示。FAN等[5]也利用高Q值的硅基微環(huán)諧振腔實現(xiàn)了全光二極管，如圖2b)所示。在生化檢測研究方面，基于高Q值硅基光波導微環(huán)諧振腔可構(gòu)建高集成度、高靈敏度、低探測限的生物化學傳感器，是目前國際上研究的熱點話題。圖2c)和圖2d)所示高Q值、超敏感、小體積的回音壁模式(WGM)光學傳感器，在生物、醫(yī)學、化學、環(huán)境等方面應用廣泛，可利用高Q值WGM傳感器來檢測生物分子、反應動力學，分級組裝和輸運納米粒子，控制光傳輸?shù)萚8-9]。研究人員將WGM模式的SOI基平面微環(huán)光學傳感器應用在臨床，無標記監(jiān)測未稀釋血清中的蛋白質(zhì)生物標記物，達到了極高的檢測標準[9-10]。對這些高靈敏度生物化學傳感器而言，很重要的一個前提就是諧振腔需具有高Q值。因此，制備出低損耗、高Q值的波導諧振腔對此類生物傳感器的性能提升有極其重要的意義。

圖2 基于硅基微環(huán)諧振腔構(gòu)成的傳感器
Fig.2 Sensor with Si based micro ring resonator

綜上所述，高Q值硅基光波導諧振腔有著廣泛的應用前景和研究意義。但是，目前中國對光波導器件的研究還處于前期探索性階段，有許多基礎(chǔ)科學問題和關(guān)鍵技術(shù)有待突破。其中光波導表面粗糙度引起的傳輸損耗，嚴重影響了光學諧振腔Q值的提高，高Q值微環(huán)諧振腔的優(yōu)化制造制約了波導在傳感器、濾波器、光開關(guān)等方面的應用研究。波導制造的關(guān)鍵在于保證光波導一致性的前提下，降低光波導表面的粗糙度，從而在根本上降低光傳輸損耗，提高微環(huán)諧振腔Q值[11]。

2 降低波導表面粗糙度研究現(xiàn)狀

國際上光波導相關(guān)研究主要基于SOI(silicon-on-insulator，絕緣襯底上的硅)材料(如圖3所示)，因為二氧化硅與硅晶體之間具有較大折射率差，可實現(xiàn)小尺度低損耗波導的制備和集成[12]，因此，該部分主要論述基于SOI材料的波導諧振腔的相關(guān)研究。SOI材料作為波導器件研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，具有與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容、適合應用于光電子系統(tǒng)、可批量制造、成本低廉等優(yōu)點[13]。微環(huán)諧振腔作為集成光學系統(tǒng)的基本單元，在制作工藝和技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。

2.1 波導Q值和表面光滑化方法

環(huán)形腔波導材料對環(huán)形腔Q值具有決定作用，目前廣泛應用于波導的材料主要是硅、硅基SiO2以及SOI結(jié)構(gòu)。加利福尼亞科技研究所制造的SOI環(huán)形諧振腔，Q值范圍為4.5×104～5.7×104[13]，美國Cornell大學的研究人員通過工藝優(yōu)化，采用選擇性熱氧化工藝制備了納米光波導環(huán)形諧振腔[16](如圖4所示)，并采用受激布里淵激光結(jié)合傳統(tǒng)半導體工藝技術(shù)，實現(xiàn)了對微腔大小的控制，并且將諧振腔的Q值提高到8.75×108[17]。

圖3 典型的SOI光波導結(jié)構(gòu)
Fig.3 Typical SOI nanometer optical waveguide configuration

圖4 熱氧化工藝制備波導微腔
Fig.4 Thermal oxidation process for the preparation of waveguide cavity

為了降低波導表面粗糙度，目前應用較為廣泛的是基于表面自由能最小化的方法：熱氧化[16-17]、激光束法[18]、高溫氫退火[19]等處理工藝。LEE等[19]采用了高溫氫退火后處理工藝，該工藝中表面硅原子的遷移過程以及表面光滑效果如圖5所示。經(jīng)過高溫氫氣退火后，側(cè)壁的粗糙度有了明顯的降低。

圖5 高溫氫退火硅原子遷移過程及光滑效果
Fig.5 Si atoms migration process and smoothing effect in high temperature hydrogen annealing process

對比發(fā)現(xiàn)，熱氧化工藝[16-17]將會消耗大量的硅(約為表面粗糙度10倍以上)，容易對器件造成損害。激光束法具有很高的空間分辨性，但是對設(shè)備的要求較高，操作比較復雜，而且效率低，無法進行大批量的實驗。而氫退火表面處理工藝則不存在這些問題，是一種高效環(huán)保的表面光滑化處理方法。氫氣氛圍高溫熔融狀態(tài)下，表面硅原子的移動性增強，原子的遷移使得總的表面能趨于最小化，粗糙表面趨于平滑，而總的體積并不會減小[19]。高溫氫退火工藝已經(jīng)被驗證可用來降低光波導表面的粗糙度，有一定的光滑效果。

中國已經(jīng)初步具備了基于SOI光波導的制造工藝，在SOI光波導諧振腔相關(guān)領(lǐng)域也積累了一定的研究基礎(chǔ)?？傮w來看，在制作工藝和技術(shù)上，實現(xiàn)集成光學諧振腔已不存在問題，但是對SOI光波導表面粗糙度的問題研究非常少，尚未在低損耗高Q值波導諧振腔的表面光滑化技術(shù)上取得突破性進展，實現(xiàn)超低損耗、高Q值波導諧振腔仍具有極大的挑戰(zhàn)，波導表面粗糙度是影響波導器件Q值的重要因素。同時，國內(nèi)對于波導表面光滑化工藝的內(nèi)在機理不是十分清晰，并沒有建立光波導表面光滑化處理相應的工藝參數(shù)模型。因此，深入研究硅基波導表面光滑化機理成為制造高Q值波導諧振腔亟待解決的關(guān)鍵問題。

2.2 氫退火的基本原理

利用氫退火方法進行波導表面和側(cè)壁的光滑化處理，選擇合適的退火條件至關(guān)重要。實驗主要參數(shù)包括氫氣的濃度和流量、退火溫度、壓強和退火時間等。目前，很多研究工作利用Mullins’Model定性描述粗糙的硅表面在氫退火氛圍中的變化情況。通過該模型，可以得到硅表面在不同實驗參數(shù)下的變化趨勢，進而優(yōu)化實驗結(jié)果，提高實驗效率。

在退火反應過程中，假定表面只發(fā)生擴散過程，μ(K)表示表面上由曲率為0點轉(zhuǎn)移至曲率為K點的單個原子的化學勢的增量，其表達式如式(1)所示:

(1)

式中：K表示表面曲率；γ表示單位面積上的表面自由能；Ω表示分子體積。

由式(1)可以看出，沿表面化學勢的梯度與曲率的梯度呈正相關(guān)，這一梯度會驅(qū)使表面原子的遷移，平均遷移速率表示如下，稱為Nernst-Einstein關(guān)系式[20]：

(2)

式中：Ds表示表面擴散系數(shù)；s表示沿剖面方向的弧長。原子的表面流J是單位面積內(nèi)原子個數(shù)v乘以平均遷移速率V的結(jié)果，如式(3)所示:

(3)

如果已知表面散度J，則可以求得單位時間內(nèi)單位面積上原子數(shù)目的增量。由此可以推導出沿表面元法向的原子運動速率rn，如式(4)所示：

(4)

式(4)即Mullins’Model[20-21]，該公式是在理想條件下對氫退火過程進行分析描述，可以看出波導表面原子的遷移速率主要由波導材料特性(Ω，v)、表面擴散系數(shù)(Ds)、溫度(T)和表面曲率(K)的梯度影響。

雖然該公式可以在一定程度上顯示外部條件(如溫度)對氫退火過程的影響，但是，該模型中所涉及的部分參數(shù)(表面自由能γ，表面擴散系數(shù)Ds，平均遷移速率V)無法通過測試獲得，同時實驗條件(壓強，氣體流量)與這些參數(shù)的映射關(guān)系也不明確。更重要的是，該模型無法從分子層面反應退火過程，揭示其物理化學機理。上述原因決定了該模型只能大致預測部分參數(shù)(溫度，壓強)對實驗結(jié)果的改變趨勢，而不能全面精確分析實驗條件對退火結(jié)果的影響。只有從分子層面深入了解氫退火反應過程，明確反應機理，才能為退火實驗提供分析基礎(chǔ)。

3 退火過程機理研究

圖6 有氫氣與非氫氣條件下表面硅原子均方根位移
Fig.6 Root mean square displacement under the conditions of with and without hydrogen

本文基于MaterialsStudio軟件模擬，初步仿真了高溫條件硅氫鍵對表面硅原子活性的影響。根據(jù)LEE等人的氫退火實驗模型，設(shè)定模擬溫度為1 100 ℃，控溫函數(shù)為Andersen；模擬時長設(shè)定為300ps，控制退火溫度為1 100 ℃時[22]，分別在氫氣氛圍下和非氫氣氛圍下，對SOI結(jié)構(gòu)進行仿真，其均方根位移隨退火時間變化曲線[23]如圖6所示。圖中模型所示為動態(tài)模擬過程中截取的單幀圖像。對于純硅而言，熔點為1 414 ℃，沸點為3 265 ℃，如果退火溫度過高，會對波導器件產(chǎn)生不可逆的損壞。一般而言，硅晶體具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)，常溫條件下，波導表面硅原子運動并不明顯。當溫度升高時，整個晶胞吸熱，原子運動加劇，吸熱后容易與周圍原子結(jié)合形成新鍵。由于氫氣為氣體分子，常溫狀態(tài)下處于無規(guī)則熱運動狀態(tài)，其運動加劇，易與表面硅原子碰撞結(jié)合形成硅氫鍵，加速表面硅原子運動。均方根位移是粒子運動軌跡隨時間變化的統(tǒng)計平均，描述體系內(nèi)所有粒子在任意時刻離開初始位置的位移情況，記錄體系的動力學行為，表征體系的擴散能力。對比無氫氣條件而言，氫氛圍下原子均方根位移明顯增加(從0.1提升到了0.9)。

氫退火技術(shù)提高波導器件Q值的關(guān)鍵在于明確退火過程中硅與氫氣的反應機理，進而以此為依據(jù)調(diào)整退火實驗中的退火時間、退火溫度，壓強和流量等實驗參數(shù)，從而使側(cè)壁及表面光滑化達到較好的效果。上述仿真主要通過模擬氫氣氛圍和非氫氣氛圍下的硅晶體形貌的改變，證明氫氣在退火過程中的作用，高溫下氫氣與表面活躍的硅原子形成硅氫鍵，硅氫鍵大大提高了硅表面原子的均方根位移，從而使得波導表面及側(cè)壁變得光滑。該結(jié)果表面，硅氫鍵的形成及成鍵數(shù)量是硅表面形貌結(jié)構(gòu)變化的重要因素。在以后的工作中，將繼續(xù)進行其他退火條件的仿真研究，深入分析壓強和流量等參數(shù)，為光滑化實驗提供理論指導。

4 結(jié) 語

本文介紹了光波導器件在不同領(lǐng)域的應用和發(fā)展前景，分析了波導器件表面光滑化的主要方法。氫退火技術(shù)是目前應用最廣泛且效果最好的光滑化方法，但是對氫退火技術(shù)的研究大多基于實驗，沒有深入研究其內(nèi)部機理，無法提供準確的實驗參數(shù)調(diào)整，從而限制了光滑化實驗效果，導致波導器件Q值無法繼續(xù)提高。本文初步研究了氫退火過程光滑化的機理，基于仿真研究結(jié)果，分析了氫氣環(huán)境對于退火過程的意義。本文作者團隊將繼續(xù)對該課題進行深入研究，項目進展和具體成果會在后續(xù)文章中詳細論述。隨著對氫退火機理研究的不斷深入，提高波導器件側(cè)壁的光滑度，制造出高Q值波導器件會在不久的將來得以實現(xiàn)。

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Review of applications and surface smoothing mechanisms of optical waveguide devices

TANG Haiquan1,2, ZHANG Hui1,2, JI Jianlong1,2, ZHANG Qiang1,2,JIAN Aoqun1,2, SANG Shengbo1,2，DUAN Qianqian1,2

(1. School of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong,Shanxi 030600, China；2. Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education and Shanxi Province, Jinzhong, Shanxi 030600, China)

Optical waveguide devices are widely used in many fields and have good development prospects. But surface roughness of waveguide device induces a passive effect on the light transmission loss and theQvalue of ring cavity, which restricts the development and applications of optical waveguide devices. Currently, the common used surface and side wall smoothing methods for waveguide devices are the thermal oxidation method, laser beam method, and hydrogen annealing method, and the surface hydrogen annealing method has better smoothing effect. However, the mechanism of hydrogen annealing method is still not clear so far, thus the experimental parameters cannot be further optimized to obtain optimal experimental result. Based on the review of the contents mentioned above, the hydrogen annealing mechanism is primarily studied through the simulation analysis by Materials Studio, which provides theoretical foundation and guidance for smoothing of waveguide device by hydrogen annealing technology.

optical waveguide； smoothing； hydrogen annealing； surface roughness； optical waveguide devices

1008-1542(2017)01-0026-06

10.7535/hbkd.2017yx01005

2016-06-21；

2016-09-10；責任編輯：李 穆

國家自然科學基金(51505324,91123036)

唐海泉(1990—)，男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事納米光波導方面的研究。

段倩倩博士。E-mail：wwhwls@163.com

TN305.2

A

唐海泉，張 輝，冀健龍，等.光波導器件應用及其表面光滑化研究綜述[J].河北科技大學學報,2017,38(1):26-31. TANG Haiquan, ZHANG Hui, JI Jianlong, et al.Review of applications and surface smoothing mechanisms of optical waveguide devices[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(1):26-31.