抗辐射硅基二氧化硅光波导器件

1.本公开涉及光子集成领域，尤其涉及一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件。


背景技术：

2.硅基二氧化硅光波导器件具有损耗低、集成度高、成本低以及易于大规模生产等优势，已被广泛用于光通信和光传感等领域。但是在空间等辐射环境下，辐射会导致二氧化硅光波导中形成色心，其本质上是辐射引起的点缺陷，色心会强烈吸收二氧化硅光波导器件中的传导光，从而产生辐射致衰减(ria)，导致器件性能显著下降。目前针对光波导器件的抗辐设技术研究较少，因此亟需发明一种具有抗辐射特性的硅基二氧化硅光波导器件。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本公开提供了一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件，以解决硅基二氧化硅光波导器件在受到较高剂量辐照后仍保持一定的性能。
4.根据本公开的一个方面，提供了一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件，包括：衬底；下包层，生长在所述衬底上；芯层，生长在所述下包层上，在所述芯层中设有光波导器件；上包层，生长在所述芯层上；其中，所述芯层的折射率大于所述下包层和上包层的折射率，所述芯层、上包层和下包层的材料为掺杂氟的二氧化硅材料。
5.通过在芯层、上包层和下包层中掺杂氟，引入si-f键，si-f键相对于si-o键更强，在高能粒子的作用下，si-f键的断裂几率比si-o键的断裂几率小得多，掺氟之后的光波导器件内形成的色心相对较少，因此缺陷吸收能显著降低，显著减少辐射致衰减带来的光损耗。
6.可选地，所述芯层的材料中掺杂锗。通过在所述芯层的材料中掺杂锗，提高了芯层的折射率，从而形成较高的芯包层之间的折射率差。
7.可选地，所述上包层的材料中掺杂硼和磷。通过在上包层的材料中掺杂硼和磷，将不导电的二氧化硅转化成可导电的半导体，增加了上包层的导电能力。
8.可选地，所述衬底为石英或者硅材料。
9.可选地，所述光波导器件包括阵列波导光栅、光分路器、混频器中的单个器件或者多个器件的集成。光波导器件基于条形波导的结构，在阵列波导光栅中可以把许多波长的光复合到单一的光纤中，在分路器中可以保持设计的分光比不发生改变或者改变极小，在光混频器中可以保持混频器的相位精度不发生改变或者改变极小。
10.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
11.本公开提供了一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件，在芯层和上下包层中掺杂氟，si-f键的键能强于si-o键的键能，si-f键不容易断裂，稳定性更高。且氟在二氧化硅材料的网络结构中起到断网作用，掺杂氟降低了二氧化硅材料中的固有缺陷，氟的引入增大较高能量状态缺陷结构的断网几率，有助于减少二氧化硅材料中的三元环与四元环缺陷。随着氟含量的增加，缺陷浓度将随之下降，因此缺陷吸收能显著降低，减少辐射致衰减带来
的光损耗，提高了光波导器件的抗辐射性能。
附图说明
12.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
13.图1示意性示出了根据本公开实施例提供的抗辐射硅基二氧化硅光波导器件示意图；
14.图2示意性示出了根据本公开实施例提供的抗辐射硅基二氧化硅光波导器件掺杂氟之前与掺杂氟之后的原子结构示意图；
15.附图标记：
16.1-衬底；2-下包层；3-芯层；4-上包层；5-光波导器件。
具体实施方式
17.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
18.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
19.在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
20.高能辐照容易引起二氧化硅中电子的位移或原子核的移位以及结构的改变。其中，电子的位移即电子偏离原来的运动轨道，如由于辐射引起断键，电子被邻近的杂质原子或缺陷所俘获等；原子核的移位是指原子核偏离原来的平衡位置，从而在格点上留下空位(肖特基缺陷)或形成在格点之间的间隙原子(弗伦克尔缺陷)等，从而形成色心。在高能辐射作用下，二氧化硅吸收高能粒子形成自由的电子-空穴对，这些载流子被缺陷俘获，在有光传播时部分载流子可能会吸收光子跃迁到导带或价带上，光子数减少，光的能量减少，光的损耗增大，即色心会吸收传导光。
21.因此，在辐射环境下，硅基二氧化硅光波导器件受到的主要影响就是形成缺陷，增大损耗。增大损耗会影响硅基二氧化硅光波导器件的传输性能，这在光通信系统中是极为不利的因素，需要优先被解决。
22.图1示意性示出了根据本公开实施例提供的抗辐射硅基二氧化硅光波导器件示意图。
23.如图1所示，本公开的实施例提供了一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件，包括：衬底1、下包层2、芯层3、上包层4和光波导器件5，芯层3、上包层4和下包层2的材料为掺杂氟的二氧化硅材料。可选地，本公开实施例提供的抗辐射硅基二氧化硅光波导器件可以利用等离子体增强化学气相沉积工艺(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)
工艺，使用含氟、硅、氧的前驱体进行反应，例如sif4/o2、sih4/h2/o2等，实现在二氧化硅材料中掺杂氟。
24.由于si-f键相对于si-o键的键能更强，在辐照中高能粒子的作用下，si-f键的断裂几率比si-o键的断裂几率小得多，掺氟之后的硅基二氧化硅光波导器件内形成的色心相对较少，可以显著减少辐射致衰减带来的光损耗，使硅基二氧化硅光波导器件暴露在高能辐照环境下仍然保持原有的工作性能基本不变。由此可见，掺杂氟可以提高硅基二氧化硅光波导器件的抗辐射能力。
25.图2示意性示出了根据本公开实施例提供的抗辐射硅基二氧化硅光波导器件掺杂氟之前与掺杂氟之后的原子结构示意图。
26.如图2所示，典型的硅原子周围是四个氧原子的四面体结构，与该四面体结构不同，三元环和四元环是二氧化硅网格结构中的缺陷结构，这两种异形结构对于光的吸收作用较大。掺杂氟后，氟原子会取代氧原子的位置，由于一个氧原子由两个硅原子共用，而氟只能形成单个si-f键，氟起到断键作用。由于断键作用的存在，三元环和四元环的形成会减少，即缺陷结构减少。由于氟在二氧化硅材料网络结构中起到断键作用，并且si-f键强于si-o键，氟的引入将增大较高能量状态的缺陷结构的断键几率，即有助于减少二氧化硅材料中的三元环与四元环缺陷结构，而且随着氟含量的增加，缺陷浓度将随之下降。因此，通过在硅基二氧化硅光波导器件的二氧化硅芯层和上下包层中掺杂氟，完全能够提高硅基二氧化硅光波导器件的抗辐射性能。
27.在本公开实施例中，芯层3的材料中可以掺杂锗，使芯层3的折射率大于下包层2和上包层4的折射率。通过在芯层3中掺杂锗，可以提高芯层3的折射率。当芯层3的折射率大于下包层2和上包层4的折射率时，可以降低光信号的传输损耗。
28.在本实施例中，下包层2生长在衬底1上；芯层3生长在下包层2上，上包层4生长在芯层3上。
29.硅基二氧化硅器件的下包层2是利用pecvd工艺在衬底1上生长的大约15μm厚的二氧化硅层。
30.芯层3是利用pecvd工艺在下包层2上生长的二氧化硅层，其厚度主要根据光波导的折射率差来决定。在实际应用中，若要实现芯层3和上下包层之间2.0％的折射率差，波导的横截面尺寸可以为4μm
×
4μm，若要实现芯层3和上下包层之间0.36％的折射率差，波导的横截面尺寸可以为7μm
×
7μm。常用的相对折射率差有0.3％、0.36％、0.45％、0.75％、1.5％、2.0％，对应的截面尺寸分别为7μm
×
7μm、7μm
×
7μm、6.5μm
×
6.5μm、6μm
×
6μm、4.5μm
×
4.5μm、4μm
×
4μm。
31.上包层4同样是利用pecvd工艺在芯层3上生长的大约15μm厚的二氧化硅层，上下包层的折射率一般是一致的。
32.在本实施例中，上包层4的材料中除了掺杂氟，还可以掺杂硼和磷。在上包层4中掺杂硼、磷，可增加上包层4的导电能力。在上包层4中同时掺杂硼、磷和氟，既增加上包层4的导电能力，又提高上包层4的抗辐射能力。
33.在本实施例中，衬底1为石英或者硅材料。衬底是具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性的单晶薄片，本公开的衬底1为石英材料或者硅材料。
34.在本实施例中，在芯层3中设有光波导器件5，光波导器件5包括阵列波导光栅、光
分路器、混频器中的单个器件或者多个器件的集成。本公开的光波导器件5都是基于条形波导的光波导器件，其厚度与设计者或实验人员选用的折射率差有关。光波导器件5的波导结构可以通过光刻、刻蚀等工艺在芯层3中形成。
35.阵列波导光栅能够把许多波长的光复合到单一的光纤中，从而提高光纤网络的传播效率；光分路器又称分光器，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件；混频器又称变频器，用于将信号频率由一个量值变换为另一个量值，通常用混频器产生中频信号。
36.本公开提供的一种抗辐射硅基二氧化硅光波导器件，可以保证器件在受到较高剂量辐照后仍保持光波导器件的主要性能，既降低了器件的整体损耗，还能保证光波导器件的独特性能表现良好。例如，光波导器件在分路器中可以保持设计的分光比不发生改变或者改变极小；光波导器件在光混频器中可以保持混频器的相位精度不发生改变或者改变极小等等。
37.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
38.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。