天堂网www,免费追剧大全在线观看电视剧,97久久精品无码一区二区欧美人 ,日本丰满少妇高潮呻吟

一、集成電路發展

1947年,貝爾實驗室成功制備出了第一支晶體管,克服了電子管體積大?功耗高和結構脆弱的缺點,揭開了集成電路(Integrated circuit , IC)的序幕?

幾十年以來,其按照摩爾定律預測的那樣發展著,即半導體芯片的集成度每18個月增長一倍,而價格卻降低一半?

然而,隨著器件的加工線寬發展到納米量級和集成度的不斷提高,集成電路面臨制備工藝達到極限和發熱量持續增加的問題,亟需新的解決方案?

與電子集成將晶體管?電容器和電阻器等電子器件集成類似,光子集成(Photonic integrated circuit, PIC)是將各種光子器件集成在一起,如:電光調制器? 激光器? 光放大器? 光電探測器和光復用/解復用器等?

二、光子集成技術的出現

PIC的概念從20世紀60年代后期開始提出, 20世紀70年代后期開始從實驗室走入實際應用?

集成光子器件主要由微米或納米量級寬度的光波導構成?

將多個光子器件集成在同一塊襯底上, 充分利用電光效應? 熱光效應和磁光效應等對光進行調制, 具有小型化? 低成本? 調制效率高? 功率密度高和低功耗的優點?

到目前為止, 各種制備工藝的進步(如: 濺射技術? 化學氣相沉積技術? 刻蝕技術和光刻技術) 為光子器件精細的結構制備提供了技術支持? 光子集成技術正在快速發展, 一些新的應用也會隨工藝的改進而顯現出來, 促進社會的進步和發展?

硅是應用最廣泛的半導體材料, 帶隙為1.12eV, 屬于間接帶隙半導體? 硅的導電性會因溫度? 摻雜濃度和光輻照強度變化而顯著變化, 廣泛應用于集成電路?

絕緣體上硅(Siliconon insulator ,SOI)技術, 即使用一薄的絕緣層將硅薄膜和硅襯底隔離開,給電子集成器件帶來許多的好處，pn結的面積減小, 因而寄生電容和結的漏電電流減小, 使器件工作速度高? 功率低; 容易實現理想的淺結, 使得短溝效應得到改善, 使得芯片面積減小; 可以簡化器件工藝,提高器件良率, 降低生產成本; 襯底仍然為硅, 為微電子或納電子芯片提供所需的優質襯底?

同時, 硅基光子集成可以與電子芯片的互補金屬氧化物半導體( Compementary meta oxide-semi conductor , CMOS) 制備工藝兼容, 可以充分利用電子集成芯片成熟的加工工藝, 實現較低的生產成本和批量生產?

SOI的結構示意圖如圖所示, 從上到下依次為: Si薄膜, SiO2絕緣層和Si襯底?

圖中(b)和(c)分別為淺刻蝕和深刻蝕的Si波導的TE模式分布圖(波長1550nm)? 波長為1550nm時, Si的折射率為3.48, SiO2的折射率為1.46, Si和SiO2之間存在大的折射率差, 使得Si 波導對光具有很強的限制能力,波導中光模式尺寸小和彎曲損耗低, 大大減小了器件的體積和提高了光子器件在SOI 上的集成密度?

正是因為SOI的這些優點, 使其在集成光子學中成為一個極具吸引力的材料平臺?

得益于成熟的CMOS工藝, 各種無源光波導器件已經在SOI上實現? 

如:定向耦合器? 分支器 ? 波導布拉格光柵 ? 陣列波導光柵? 馬赫曾德爾干涉儀和環形諧振器等, 如下圖所示?

在Si 中進行摻雜, 利用載流子色散效應來實現電光調制, 可以在SOI上實現電光調制器? 主要有三類調制機制: 載流子注入? 載流子積累和載流子耗盡, 如圖所示?

其中, 載流子耗盡可以獲得最高的調制速度? 但是, 自由載流子色散本質上是吸收的和非線性的, 這降低了光調制幅度, 并且在使用先進的調制格式時可能導致信號失真?

三、鈮酸鋰光子集成技術

鈮酸鋰(LN) 晶體具有卓越的電光? 聲光? 非線性光學? 光折變? 壓電? 鐵電? 光彈和熱釋電等效應, 且機械性能穩定和具有寬的透明窗(0.3-5μm),在集成光學中有廣泛的應用?

基于鈮酸鋰晶體上傳統的光波導制備方法制備的光波導, 如: 離子注入? 質子交換和鈦擴散法,具有小的折射率差, 大的波導彎曲半徑導致器件尺寸大, 限制了其在集成光學中的應用?

鈮酸鋰薄膜( LNOI) 具有較大的折射率對比度, 這可以使波導具有僅數十微米的彎曲半徑和亞微米量級的波導截面, 允許高密度的光子集成和強的光限制來增強光與物質相互作用?

LNOI 可以通過脈沖激光沉積、容膠凝膠法? 射頻磁控濺射和化學氣相沉積法等方法制備, 但這些方法獲得的LNOI呈現出多晶結構的性質, 造成光傳輸損耗明顯增加? 其次, 薄膜的物理性質和指標與單晶LN也存在明顯的差距, 這無疑會對光子器件的性能產生不良影響?

1998年, M.Levy 等人采用離子注入和橫向刻蝕相結合的方法制備了單晶LN薄膜。目前, 隨著制備技術的不斷提高, 高質量?大尺寸的LNOI 晶圓已經商業化, 促進了LN集成光子學的發展, LN薄膜厚度可以為300-900nm, 晶圓尺寸可達8英寸?

LNOI的制備是使用離子注入? 直接鍵合和熱退火等一系列過程, 從LN體材料中物理剝離LN薄膜并將其轉移到襯底上同時, 研磨和拋光的方法也可以產生高質量的 LNOI? 該方法避免了離子注入過程對 LN 晶體晶格的損傷, 對晶體質量影響較小, 但對薄膜厚度均勻性控制要求嚴格?

LNOI不僅保留了LN體材料的電光? 聲光和非線性光學等物理性質, 而且具有單晶結構, 有利于實現低的光傳輸損耗?

下圖顯示了LNOI的結構示意圖,以及淺刻蝕和深刻蝕的LN波導的 TE 模式分布圖(波長1550nm)?

光波導是集成光子學的基本器件之一 , 光波導的制備方法有多種? 

LNOI上的光波導可以采用傳統的光波導制備方法制備, 如質子交換? LN化學惰性強, 為避免LN的刻蝕, 可以在LNOI上沉積容易刻蝕的材料來制備加載條波導,加載條材料有: TiO2?SiO2? SiNx? Ta2O5? 硫屬化合物玻璃和Si等?

利用化學機械拋光方法制備的LNOI 光波導實現了傳播損耗0. 027dB/cm, 但是其較淺的波導側壁使小彎曲半徑波導的實現比較困難?

利用等離子刻蝕的方法制備的LNOI 波導實現了0.027dB/cm的傳輸損耗, 這是一個里程碑式的進步, 意味著可以實現大規模的光子集成和單光子級處理?

除了光波導, 許多高性能的光子器件也在LNOI 上制備了, 如: 微環/微盤諧振器? 端面和光柵耦合器以及光子晶體等? 此外, 諸多功能光子器件也得以實現? 利用LN晶體卓越的電光和非線性光學效應, 在LNOI 上實現了高帶寬光電調制? 高效率的非線性轉換和電光可控光頻梳產生等多種光子功能器件? 

LN還具有聲光效應, 在LNOI 上制備的聲光M-Z調制器, 利用懸浮鈮酸鋰薄膜上的光力學相互作用, 將頻率4.5GHz的微波轉換為了1500nm波長的光, 實現了微波光信號的高效轉換?

在藍寶石襯底的LN薄膜上制備的聲光調制器, 因為藍寶石具有高的聲速, 可以避免器件的懸浮結構,同時減小了聲波能量的泄露?

在LNOI上制備的集成聲光移頻器, 其移頻效率髙于氮化鋁薄膜上的聲光移頻器?激光器和放大器在稀土摻雜的LNOI上已經取得了重大進展?

然而, LNOI的稀土摻雜區域對通訊光波段有明顯的光吸收, 限制了其大規模光子集成? 在LNOI 上探索局部稀土摻雜將是解決這一問題的好方法? 在LNOI 上沉積非晶硅可以制備光電探測器, 制備的金屬半導體，金屬光電探測器在波長635-850nm的響應度為22-37mA/ W?

同時, 將III-V族半導體激光器和探測器異質集成到LNOI上, 也是在LNOI上實現激光器和探測器的好方案, 但是制備工藝復雜,成本高, 需要完善工藝降低成本, 提高成功幾率? LNOI上的各種集成光子器件如下圖所示：

四、硅和鈮酸鋰復合薄膜技術

Si是廣泛應用的半導體材料, 具有重要的電子學和微加工優勢?

SOI 給電子集成器件帶來了諸多好處, 廣泛應用于集成電路? 同時, SOI還具有如下優點: Si 和SiO2之間具有大的折射率差,使其具有很強的限光能力和小的波導彎曲半徑; 在1200nm以上波段具有低的光吸收; 基于SOI的光子器件可以用CMOS工藝制備? 這使其在集成光學中也成為一種極具吸引力的材料平臺?但是, Si是中心對稱晶體,缺乏電光? 聲光和非線性光學等效應, 阻礙了其在集成光學中的發展? 

如果將Si薄膜和LN薄膜結合在一起，就可以實現材料性能互補和充分利用。

LNOI保留了LN 體材料卓越的電光? 聲光和非線性光學等效應, 同時具有大的折射率對比度, 被認為是一種極具潛力的集成光學材料平臺?

參考文獻：

(1)李青云 硅和鈮酸鋰復合薄膜及相關光子器件的研究[D].

(2)彭茂榮 2024年半導體產業發展議題[C].

(3)趙磊 投影光刻物鏡像質補償策略與補償技術研究[D].