光波导器件应用及其表面光滑化研究综述

唐海泉，张 辉，冀健龙，张 强，菅傲群，桑胜波，段倩倩

(1.太原理工大学信息工程学院，山西晋中 030600；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西晋中 030600)

光波导器件应用及其表面光滑化研究综述

唐海泉1,2，张 辉1,2，冀健龙1,2，张 强1,2，菅傲群1,2，桑胜波1,2，段倩倩1,2

(1.太原理工大学信息工程学院，山西晋中 030600；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西晋中 030600)

光波导器件在许多领域都有着广泛的应用和良好的发展前景。而波导器件表面粗糙度影响传输光损耗和环形腔Q值，制约光波导器件的发展和应用。目前常用波导器件表面和侧壁光滑化方法有热氧化法、激光束法和氢退火法，其中氢退火法有较好的光滑化效果，但对于氢退火工艺的机理并不清楚，无法进一步优化实验参数，达到最佳实验效果。在对上述内容进行综述的基础上，通过Materials Studio仿真分析，初步研究了退火机理，基于仿真研究结果，分析氢气环境对退火过程的意义，为应用氢退火工艺对波导器件光滑化实验提供理论指导。

光波导;光滑化;氢退火;表面粗糙度；光波导器件

1 光波导研究意义

随着微系统集成制造技术与微小型光电器件的发展，光波导器件将向纳米量级发展，以满足大规模、高集成光电器件的需求。光波导是光透明介质构成传输光频电磁波的导行结构，在不同折射率的介质界面上，电磁波的全反射将光波局限在波导及周围有限区域内传播，该特性使得光波导在通信领域有着广泛的应用。作为典型的波导结构，高品质因数(Quality factor，Q值)硅基纳米波导谐振腔具有弯曲半径小、与传统CMOS工艺兼容、易于芯片集成、能够极大地缩小光子器件的体积，降低功耗的优点，广泛应用于大规模光电集成纳米器件。随着纳米材料制造前沿技术的发展，在硅基芯片上实现高Q值光波导微谐振腔成为可能，使其在集成全光网络[1-3]、集成芯片光源[4]、高灵敏度传感器[5]、微光学器件[6]、微光陀螺仪[7]等领域有着重要的应用价值。

图1 光互连网络模型
Fig.1 Optical interconnection network model

在集成全光网络方面，采用超低损耗光波导研制的高集成度、高选择比和信噪比的波分复用器、滤波器、光开关等光学器件，有望用来提高光网络的速度、降低光器件的能耗，从而推动全光通信网络快速发展。如图1所示的光互连网络模型，每一个枢纽(hub)利用波导互连，多路波分复用技术(WDM)提升了数据传输带宽，可实现大容量的数据路由，信号在很短时间内(t<2ns)就可实现各个hub间的互连，且利用环形腔可使“选择性”网络做得更小。在芯片光源研究方面，高Q值波导谐振腔使波导谐振腔内具有高相干光能量密度，进而降低了激光的发射阈值，为研制超低阈值微型激光器提供新的思路[6]。RONG等[4]基于硅基微环谐振腔结构，利用1 550nm激光作为激发源对硅基光波导进行激发，实现了输出波长为1 686nm的零偏压、超低阈值(20mW)、高输出功率(50mW)、连续波拉曼激光器，如图2a)所示。FAN等[5]也利用高Q值的硅基微环谐振腔实现了全光二极管，如图2b)所示。在生化检测研究方面，基于高Q值硅基光波导微环谐振腔可构建高集成度、高灵敏度、低探测限的生物化学传感器，是目前国际上研究的热点话题。图2c)和图2d)所示高Q值、超敏感、小体积的回音壁模式(WGM)光学传感器，在生物、医学、化学、环境等方面应用广泛，可利用高Q值WGM传感器来检测生物分子、反应动力学，分级组装和输运纳米粒子，控制光传输等[8-9]。研究人员将WGM模式的SOI基平面微环光学传感器应用在临床，无标记监测未稀释血清中的蛋白质生物标记物，达到了极高的检测标准[9-10]。对这些高灵敏度生物化学传感器而言，很重要的一个前提就是谐振腔需具有高Q值。因此，制备出低损耗、高Q值的波导谐振腔对此类生物传感器的性能提升有极其重要的意义。

图2 基于硅基微环谐振腔构成的传感器
Fig.2 Sensor with Si based micro ring resonator

综上所述，高Q值硅基光波导谐振腔有着广泛的应用前景和研究意义。但是，目前中国对光波导器件的研究还处于前期探索性阶段，有许多基础科学问题和关键技术有待突破。其中光波导表面粗糙度引起的传输损耗，严重影响了光学谐振腔Q值的提高，高Q值微环谐振腔的优化制造制约了波导在传感器、滤波器、光开关等方面的应用研究。波导制造的关键在于保证光波导一致性的前提下，降低光波导表面的粗糙度，从而在根本上降低光传输损耗，提高微环谐振腔Q值[11]。

2 降低波导表面粗糙度研究现状

国际上光波导相关研究主要基于SOI(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)材料(如图3所示)，因为二氧化硅与硅晶体之间具有较大折射率差，可实现小尺度低损耗波导的制备和集成[12]，因此，该部分主要论述基于SOI材料的波导谐振腔的相关研究。SOI材料作为波导器件研究的关键基础材料，具有与传统CMOS工艺兼容、适合应用于光电子系统、可批量制造、成本低廉等优点[13]。微环谐振腔作为集成光学系统的基本单元，在制作工艺和技术上已经比较成熟。

2.1 波导Q值和表面光滑化方法

环形腔波导材料对环形腔Q值具有决定作用，目前广泛应用于波导的材料主要是硅、硅基SiO2以及SOI结构。加利福尼亚科技研究所制造的SOI环形谐振腔，Q值范围为4.5×104～5.7×104[13]，美国Cornell大学的研究人员通过工艺优化，采用选择性热氧化工艺制备了纳米光波导环形谐振腔[16](如图4所示)，并采用受激布里渊激光结合传统半导体工艺技术，实现了对微腔大小的控制，并且将谐振腔的Q值提高到8.75×108[17]。

图3 典型的SOI光波导结构
Fig.3 Typical SOI nanometer optical waveguide configuration

图4 热氧化工艺制备波导微腔
Fig.4 Thermal oxidation process for the preparation of waveguide cavity

为了降低波导表面粗糙度，目前应用较为广泛的是基于表面自由能最小化的方法：热氧化[16-17]、激光束法[18]、高温氢退火[19]等处理工艺。LEE等[19]采用了高温氢退火后处理工艺，该工艺中表面硅原子的迁移过程以及表面光滑效果如图5所示。经过高温氢气退火后，侧壁的粗糙度有了明显的降低。

图5 高温氢退火硅原子迁移过程及光滑效果
Fig.5 Si atoms migration process and smoothing effect in high temperature hydrogen annealing process

对比发现，热氧化工艺[16-17]将会消耗大量的硅(约为表面粗糙度10倍以上)，容易对器件造成损害。激光束法具有很高的空间分辨性，但是对设备的要求较高，操作比较复杂，而且效率低，无法进行大批量的实验。而氢退火表面处理工艺则不存在这些问题，是一种高效环保的表面光滑化处理方法。氢气氛围高温熔融状态下，表面硅原子的移动性增强，原子的迁移使得总的表面能趋于最小化，粗糙表面趋于平滑，而总的体积并不会减小[19]。高温氢退火工艺已经被验证可用来降低光波导表面的粗糙度，有一定的光滑效果。

中国已经初步具备了基于SOI光波导的制造工艺，在SOI光波导谐振腔相关领域也积累了一定的研究基础。总体来看，在制作工艺和技术上，实现集成光学谐振腔已不存在问题，但是对SOI光波导表面粗糙度的问题研究非常少，尚未在低损耗高Q值波导谐振腔的表面光滑化技术上取得突破性进展，实现超低损耗、高Q值波导谐振腔仍具有极大的挑战，波导表面粗糙度是影响波导器件Q值的重要因素。同时，国内对于波导表面光滑化工艺的内在机理不是十分清晰，并没有建立光波导表面光滑化处理相应的工艺参数模型。因此，深入研究硅基波导表面光滑化机理成为制造高Q值波导谐振腔亟待解决的关键问题。

2.2 氢退火的基本原理

利用氢退火方法进行波导表面和侧壁的光滑化处理，选择合适的退火条件至关重要。实验主要参数包括氢气的浓度和流量、退火温度、压强和退火时间等。目前，很多研究工作利用Mullins’Model定性描述粗糙的硅表面在氢退火氛围中的变化情况。通过该模型，可以得到硅表面在不同实验参数下的变化趋势，进而优化实验结果，提高实验效率。

在退火反应过程中，假定表面只发生扩散过程，μ(K)表示表面上由曲率为0点转移至曲率为K点的单个原子的化学势的增量，其表达式如式(1)所示:

(1)

式中：K表示表面曲率；γ表示单位面积上的表面自由能；Ω表示分子体积。

由式(1)可以看出，沿表面化学势的梯度与曲率的梯度呈正相关，这一梯度会驱使表面原子的迁移，平均迁移速率表示如下，称为Nernst-Einstein关系式[20]：

(2)

式中：Ds表示表面扩散系数；s表示沿剖面方向的弧长。原子的表面流J是单位面积内原子个数v乘以平均迁移速率V的结果，如式(3)所示:

(3)

如果已知表面散度J，则可以求得单位时间内单位面积上原子数目的增量。由此可以推导出沿表面元法向的原子运动速率rn，如式(4)所示：

(4)

式(4)即Mullins’Model[20-21]，该公式是在理想条件下对氢退火过程进行分析描述，可以看出波导表面原子的迁移速率主要由波导材料特性(Ω，v)、表面扩散系数(Ds)、温度(T)和表面曲率(K)的梯度影响。

虽然该公式可以在一定程度上显示外部条件(如温度)对氢退火过程的影响，但是，该模型中所涉及的部分参数(表面自由能γ，表面扩散系数Ds，平均迁移速率V)无法通过测试获得，同时实验条件(压强，气体流量)与这些参数的映射关系也不明确。更重要的是，该模型无法从分子层面反应退火过程，揭示其物理化学机理。上述原因决定了该模型只能大致预测部分参数(温度，压强)对实验结果的改变趋势，而不能全面精确分析实验条件对退火结果的影响。只有从分子层面深入了解氢退火反应过程，明确反应机理，才能为退火实验提供分析基础。

3 退火过程机理研究

图6 有氢气与非氢气条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软件模拟，初步仿真了高温条件硅氢键对表面硅原子活性的影响。根据LEE等人的氢退火实验模型，设定模拟温度为1 100 ℃，控温函数为Andersen；模拟时长设定为300ps，控制退火温度为1 100 ℃时[22]，分别在氢气氛围下和非氢气氛围下，对SOI结构进行仿真，其均方根位移随退火时间变化曲线[23]如图6所示。图中模型所示为动态模拟过程中截取的单帧图像。对于纯硅而言，熔点为1 414 ℃，沸点为3 265 ℃，如果退火温度过高，会对波导器件产生不可逆的损坏。一般而言，硅晶体具有稳定的物理和化学性质，常温条件下，波导表面硅原子运动并不明显。当温度升高时，整个晶胞吸热，原子运动加剧，吸热后容易与周围原子结合形成新键。由于氢气为气体分子，常温状态下处于无规则热运动状态，其运动加剧，易与表面硅原子碰撞结合形成硅氢键，加速表面硅原子运动。均方根位移是粒子运动轨迹随时间变化的统计平均，描述体系内所有粒子在任意时刻离开初始位置的位移情况，记录体系的动力学行为，表征体系的扩散能力。对比无氢气条件而言，氢氛围下原子均方根位移明显增加(从0.1提升到了0.9)。

氢退火技术提高波导器件Q值的关键在于明确退火过程中硅与氢气的反应机理，进而以此为依据调整退火实验中的退火时间、退火温度，压强和流量等实验参数，从而使侧壁及表面光滑化达到较好的效果。上述仿真主要通过模拟氢气氛围和非氢气氛围下的硅晶体形貌的改变，证明氢气在退火过程中的作用，高温下氢气与表面活跃的硅原子形成硅氢键，硅氢键大大提高了硅表面原子的均方根位移，从而使得波导表面及侧壁变得光滑。该结果表面，硅氢键的形成及成键数量是硅表面形貌结构变化的重要因素。在以后的工作中，将继续进行其他退火条件的仿真研究，深入分析压强和流量等参数，为光滑化实验提供理论指导。

4 结 语

本文介绍了光波导器件在不同领域的应用和发展前景，分析了波导器件表面光滑化的主要方法。氢退火技术是目前应用最广泛且效果最好的光滑化方法，但是对氢退火技术的研究大多基于实验，没有深入研究其内部机理，无法提供准确的实验参数调整，从而限制了光滑化实验效果，导致波导器件Q值无法继续提高。本文初步研究了氢退火过程光滑化的机理，基于仿真研究结果，分析了氢气环境对于退火过程的意义。本文作者团队将继续对该课题进行深入研究，项目进展和具体成果会在后续文章中详细论述。随着对氢退火机理研究的不断深入，提高波导器件侧壁的光滑度，制造出高Q值波导器件会在不久的将来得以实现。

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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；责任编辑：李 穆

国家自然科学基金(51505324,91123036)

唐海泉(1990—)，男，河北唐山人，硕士研究生，主要从事纳米光波导方面的研究。

段倩倩博士。E-mail：wwhwls@163.com

TN305.2

A

唐海泉，张 辉，冀健龙，等.光波导器件应用及其表面光滑化研究综述[J].河北科技大学学报,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.