Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych

Transkrypt

1 Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Zestawienie metod wytwarzania światłowodów planarnych 1.Parowanie (radiacyjne lub z działa elektronowego) 2.Napylanie warstw dielektrycznych 3. Osadzanie z roztworów 4. Polimeryzacja w wyładowaniu 5. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) 6. Hydroliza płomieniowa (FHD) heterogeniczne 6. Dyfuzja domieszki 7. Wymiana jonowa 8. Implantacja jonów homogeniczne 9. Efekt falowodowy przy obniżeniu koncentracji nośników 10. Światłowody elektrooptyczne 11. Warstwy epitaksjalne półprzewodniki (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 2

3 Parowanie (radiacyjne lub z działa elektronowego) Przykład: Parowanie szkła C-7059, charakterystyka procesu technologicznego Element procesu Wartość Uwagi Metoda Parowanie z działa elektronowego Materiał źródłowy Szkło Corning 7059 Podłoże Utleniony krzem > 2 µm. SiO 2 Ciśnienie 1x10-4 do 5x10-4 Torr (O 2 ) Dodanie O 2 zmniejszało tłumienie Szybkość nanoszenia 1 2 nm/s Maksymalna grubość 3 4 µm. Bez pęknięć i utraty adhezji Temperatura źródła 900 C Pomiar pirometrem optycznym Tłumienie warstwy 0.5 db/cm pomiar metodą podwójnego pryzmatu Współczynnik załamania 1.50 pomiar elipsometrem 633 nm Metody pomiaru składu warstw Mikrosonda elektronowa (zawartość Al., Si, Ba), Neutron activation analysis (zawartość B), Rutherford backscattering (RBS) (profile składu Si i Ba) (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 3

4 Napylanie warstw dielektrycznych - zasada i materiały Target tantalowy Ar Ta O 2+ Ar + Ta 2 O 5 Metodami napylania jonowego można wykonać: Światłowód - podłoże: Corning szkło /KDP Ta 2 O 5 -SiO 2 (utleniony krzem) Nb 2 O 5 -SiO 2 (topiony) ZnO - SiO 2 Ta 2 O 5, Nb 2 O 5 można wykonać metodami rozpylania jonowego lub utleniając warstwę metalu. (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 4

5 Napylanie warstw dielektrycznych - aparatura 2kV H 2 O w.cz. TARGET TARGET Ar CEWKA MAGNETYCZA STOLIK PODŁOŻOWY Ar O 2 H 2 O CEWKA MAGNETYCZNA STOLIK PODŁOŻOWY O 2 UKŁAD PROZNIOWY UKŁAD PRÓŻNIOWY DC układ dwuelektrodowy w.cz. (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 5

6 Osadzanie z roztworów nanoszenie na powierzchni roztworu, który wysychając tworzy cienką warstwę (w tym metoda sol-gel) nanoszenie na wirówkach wolne, równomierne wyciąganie podłoża z roztworu Doktor-plating i metody rolkowe Foliowanie (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 6

7 Osadzanie z roztworów - przykłady Materiał Rozpuszczalnik Tłumienie λ [µm] Fotorezyst Aceton Żywica epoksyd. Rozp. firmowy 0,3 db/cm Polimetylmetakrylat Chloroform, toluen Poliuretan Ksylen (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 7

8 Polimeryzacja w wyładowaniu ELEKTRODA STOLIK PODŁOŻOWY Ar +HTMS, lub VTMS H 2 O 2 kv UKŁAD PRÓŻNIOWY Stosowane związki: - winylo-trój-metylo-silan (VTMS n=1.531), CH2=CH-Si(CH3)3 - heksa-metylo-di-siloxan (HMDS n=1.4704), (CH3)3Si-O-Si(CH3)3 podłoża -zwykłe szkło podstawkowe (n=1.512) -szkło Corning 744 Pyrex (n=1.4704) (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 8

9 Dyfuzja domieszki 1. Dyfuzja do niobianu litu Ti:LiNbO 3 - dyfuzja z warstwy metalu (Ti) otrzymanego metodą rozpylania jonowego. Tłumienie światłowodów 1 db/cm. Temperatura od 900 do 1150 o C. w atmosferze argonu, azotu, tlenu lub powietrza, czas dyfuzji od 0.5 do 30 h. W celu wyeliminowania dyfuzji na zewnątrz tlenku litu z powierzchni próbki proces dyfuzji wykonuje się w obecności pary wodnej. 2. Dyfuzja na zewnątrz (out-diffusion LiNbO 3 ) Out-dyfuzja polega na ubytku tlenku litu z kryształu LiNbO 3. W miarę jak Li 2 O wychodzi z kryształu, nadzwyczajny współczynnik załamania n e rośnie 3. Dyfuzja do szkieł Dyfuzja do szkieł jest możliwa (np. Ag), ale zachodzi bardzo wolno. Podwyższenie temperatury prowadzi do uszkodzenia (żółknięcie) szkła 4. Inne przykłady dyfuzji Dyfuzja do półprzewodników: Cd:ZnSe, Cd, Se: ZnS (poniżej 3 db/cm) (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 9

10 Wymiana jonowa AgNO 3 + K +, Ag +, Tl + SiO 2 : Na + - (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 10

11 Wymiana jonowa w szkłach Miernik temperatury Miesza dło Regulowane źródło napięcia - + Regulator temperatury Zlewka lub tygiel Stopiona sól, źródło jonów Piec lub grze jnik do 0.1 o Jon Polaryzowalność [ A o 3 [ Szkło Stopiona sól Temperatura Promień [ A ] ] C] n Tl Borokrzemowe TlNO 3 + KnO 3 + NaNO 3 K Sodowe KNO Ag Aluminokrzemowe (Aluminosilicate) AgNO Na * (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 11

12 Wymiana protonów w niobianie litu pokrywka wskaznik temperatury rejestrator uklad reg. temperatury zasilacz grzejnika tygiel uchwyt probki probka grzejnik piec kapiel-zrodlo jonow (kwas benzoesowy) w C Schemat aparatury do otrzymywania swiatlowodow metoda wymiany jonow źródłem protonów jest t stopiony kwas benzoesowy C 6 H 6 COOH LiNbO 3 + xh Li 1-x H x NbO 3 +xli + (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 12

13 Implantacja jonów źródło jonów ekstraktor, wstępny stopień przyspieszania elektromagnes płytka ze szczeliną końcowy stopień przyspieszania 4,3 m układy odchylania przesuwna puszka Faradaya 2 m komora tarczowa (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 13

14 ASOC - zastosowanie implantacji jonów ASOC = Active Silicon Integrated Optical Circuits Technologia wytwarzania światłowodów oparta o technologę półprzewodnikową SOI (Silicon on Insulator). Umożliwia wytwarzanie małostratnych światłowodów dla zakresów 1300nm i 1550nm (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 14

15 Efekt falowodowy przy obniżeniu koncentracji nośników W półprzewodnikach zmniejszenie koncentracji nośników powoduje zwiększenie współczynnika załamania. W strukturach gdzie współczynnika załamania warstwy n f i podłoża n s są w przybliżeniu równe, zmiana współczynnika załamania wywołana zmianą koncentracji nośników wyraża się wzorem: n =n f -n s = (N s -N f ) e 2 / (2 n f ε o m* ω 2 ) gdzie N s, N f - koncentracje swobodnych nośników m* - masa efektywna ω -częstość światła e - ładunek elektronu (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 15

16 Światłowody elektrooptyczne W podłożu GaAs o orientacji <100> zmiana współczynnika załamania dla polaryzacji TE, wyraża się wzorem: n = n 3 r 41 (V / 2t) (Dla polaryzacji TM zmiana współczynnika załamania wyniesie 0) gdzie: V - napięcie, t - grubość światłowodu, r - współczynnik elektrooptyczny (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 16

17 Techniki wzrostu epitaksjalnego - porównanie LPE MOCVD MBE Stopy Al. Możliwe Możliwe Możliwe Szybkość wzrostu (µ/min) few 0.05 Grubość minimalna (Å) Jednorodność dobra dobra dobra Jakość powierzchni zła dobra dobra Ostrość interfejsu zła dobra b. dobra Zakres domieszkowania (cm -3 ) Wydajność procesu mała duża bardzo mała (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 17

18 Wytwarzanie struktur optoelektroniki zintegrowanej (światłowody) NASWIETLANIE UV MASKA LIFT-OFF LiNbO3 LiNbO3 WYWOLANIE LiNbO3 DYFUZJA LiNbO3 METALIZACJA LiNbO3 WARSTWA BUFOROWA LiNbO3 (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 18

19 Wytwarzanie struktur optoelektroniki zintegrowanej (metalizacja) NASWIETLANIE METALIZACJA WYWOLANIE LIFT-OFF (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 19

20 Inne materiały stosowane w optoelektronice (nieświatłowodowej) Zwierciadła Promienie X Ultrafiolet aluminium Widzialne aluminium Bliska podczerwień złoto Podczerwień miedź, złoto Soczewki Promienie X Ultrafiolet topiony kwarc (kwarc syntetyczny),szafir Widzialne szkło, szafir Bliska podczerwień szkło, szafir Podczerwień CaF 2, ZnSe Okna Promienie X beryl Ultrafiolet topiony kwarc, szafir Widzialne szkło, szafir Bliska podczerwień szkło, szafir Podczerwień NaCl, BaF 2, CaF 2, ZnSe (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 20

21 Współczynniki załamania wybranych materiałów materiał n powietrze woda CaF BaF szkło kwarc syntetyczny (topiony kwarc) kwarc krystaliczny (n o ), (n e ) kalcyt (n o ), (n e ) szafir (Al 2 O 3 ) diament2.417 krzem (1.55 µm) Si 3 N 4 2 ZnSe ZnSe (10.6 µm) SiO x N y 1,5-1,95 Współczynniki załamania dla nm w temperaturze pokojowej (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 21

22 Pytania kontrolne 1. Co to jest epitaksja? Definicja, klasyfikacja 2. Wymienić i krótko scharakteryzować zastosowania krzemu w optoelektronice zintegrowanej 2. Wymienić i sklasyfikować metody wytwarzania warstw optycznych 3. Wymienić próżniowe metody wytwarzania warstw optycznych. Krótko scharakteryzować światłowody otrzymywane każdą z metod. (c) Sergiusz Patela Technologia światlowodów planarnych 22