Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
В разработке отдельных компонентов ОИС на основе трехмерных OB достигнуты значительные успехи. Реализованы и ис-52 следованы различные типы канальных и полооковых OB, направленные ответвители, модуляторы и !переключатели, перестраиваемые фильтры, волноводные арифметические и логические устройства, полосковые полупроводниковые лазеры со сложной геометрией резонатора и целый ряд других элементов и устройств, обеспечивающих качественно новые возможности при разработке и создании многофункциональных ОИС. Для объединения отдельных компонентов на общей подложке в ОИС разработаны и находят применение различные элементы іволноводного тракта на основе трехмерных OB, такие, как плавные волноводные переходы, разветвления и пересечения, изгибы, изломы и т. п.
Основные типы трехмерных (канальных и полосковых) OB схематически представлены на рис. 3.1, где показаны профили их поперечных сечений. Деление трехмерных OB на канальные и полосковые в некоторой степени условно, но оно отражает конструктивные особенности рассматриваемых волноводных структур, определяющие возможное число ,волноводных мод, распределение
W
a) At
J nz
1 ftJ -|— —I у
1 Y/////t, По ' У/////Л
Y б) А
В) h
В)
uj h
Ш Y г! h
пг
А IЩ
' IWM mm
По, X
Ш7/, п° XH п,(х,у)
rcj яд
ж) h П^і,
' W/////Z, п„ * Ш/А
"21
I "j і"/ FT
Ш////.ШШ
n„\t
Y е) А.
IV
п2
ІІІГ
a) h
пд
По
/
п2
п,(х)
0 n^, M
Г /к
i z x
Рис. 3.1. Профили поперечного сечения основных типов трехмерных OB:
а—д — канальных (а, б — гребенчатого; в, г — погруженного; д — погруженного градиентного) ; є—и — полосковых (е, ж — тонкопленочных, з, и — градиентного)
53- их полей и, следовательно, их основные свойства и характеристики. Для всех типов таких OB оптическое излучение более или менее локализовано в облаете с показателем преломления п\, большим по сравнению с показателями преломления подложки по и прилегающих к волноводу сред и2, Из, «4, Re«3, где йъ — показатель преломления металлических слоев. В целом ряде случаев показатель преломления трехмерного волновода может быть представлен IB виде
«1 (*> у) = "о + А п f (Xldx) g (уIdy), (3.1)
где An = Hi—п0 — максимальное приращение показателя преломления волноводного оло'я, причем Ап<^По) f(x/dx), g(yi/dy) — функции профиля /показателя преломления OB по координатам X и у соответственно; /(0) = 1, f(oo)=0; ?(0);? 1, gf±oo)=0; dx и dy — параметры профиля показателя .преломления OB вдоль координат хи у соответственно, определяющие глубину D (см. выражение (1.32)) и ширину W градиентного трехмерного OB. Здесь и в дальнейшем без ущерба общности полагается, что п0^п2, пг, «4, ReZi3.
В канальном волноводе гребенчатого типа (рис. 3.1,а, б) из-за значительной разности показателей преломления пх и л2 в поперечном направлении, как правило, реализуется многомодовый режим распространения оптического излучения. Поле волноводных мод локализовано главным образом в волноводном канале, имеющем в идеальном случае поперечное сечение правильной прямоугольной формы, и практически -не проникает в среду с показателем преломления «2 (обычно это воздух); тогда f(x/dx) = — S(y/dy) = 1 для x^D и Iy\^W/2 соответственно. В реальном , OB волноводный канал может иметь более сложный профиль поперечного сечения, например приближающийся к трапецеидальному.
Гребенчатые канальные волноводы обычно получают путем удаления ненужного материала соответствующего планарного OB с помощью химического, высокочастотного, ионно-лучевого или ллазмо-химического травления через подходящую защитную маску. При такой обработке рельеф поверхности защитной маски переносится на волноводный слой. Наиболее контролируемыми способами удаления лишних участков планарного OB являются ллаз-мо-химическое и ионное травление и полировка (механическая микрообработка). Химическое травление является менее контролируемым процессом, чем ионно-плазменная обработка или высокочастотное травление, но оно позволяет получать различные ме-заструктуры со строго определенными профилями каналов с помощью избирательного анизотропного травления целого ряда монокристаллических материалов, например арсенида галлия и кремния. Методы электронно-лучевой обработки обеспечивают изготовление волноводных структур с шероховатостью ,кромок ме-'нее 50 нм (практически недостижимой для обычной фотолитографии) и весьма перспективны с точки зрения достижения высокой 54 технологичности процесса изготовления как отдельных элементов,, так и ОИС в целом.
Погруженные канальные волноводы (рис. 3.1,в—д), включая диффузионный канальный OB, по своим свойствам занимают место где-то между гребенчатыми канальными и полосковыми OB. Число распространяющихся волноводных мод в таких OB зависит от лоперечных размеров волноводного канала и разности показателей преломления материалов сред, образующих волновод.
Для изготовления погруженных канальных OB применяют различные методы эгоитаксиального наращивания полупроводниковых слоев на подложке с предварительно созданными гребнями или канавками, методы ионной имплантации и твердофазной диффузии в различные полупроводниковые материалы и монокристаллы активных диэлектриков с помощью соответствующих масок. Для этих целей представляют интерес также ХСП, которые позволяют формировать погруженные OB и волноводные элементы как оптическими методами (через соответствующие масюи), так и с помощью электронно-лучевой записи фазового рельефа в тонкопленочных слоях.
