eng
Выпуск #7-8/2020
А.В.Якухина, Д.В.Горелов, А.С.Кадочкин, С.С.Генералов, В.В.Амеличев, В.В.Светухин
Исследование влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя из Si3N4 различной толщины на оптические потери в интегральном волноводе, сформированном на кварцевой подложке
Исследование влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя из Si3N4 различной толщины на оптические потери в интегральном волноводе, сформированном на кварцевой подложке
Просмотры: 2318
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.450.457
В настоящей статье представлены результаты исследования влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя из нитрида кремния толщиной 100 и 200 нм на оптические потери в интегральных волноводах шириной 3 и 8 мкм. Представлен расчет основных параметров шероховатости боковых стенок световодного слоя, оказывающих наибольшее влияние на оптические потери в волноводе, проведенный методом конечных временных разностей. На основании данного расчета была установлена оптимальная толщина световодного слоя из нитрида, позволяющая удерживать световой поток. За основу расчета при построении модели были взяты данные, полученные в ходе исследования РЭМ-снимков, изготовленных волноводных структур. Результаты приведенных расчетов согласуются с данными, полученными в результате исследования посредством рефлектометрии в частотной области рефлектометра обратного рассеяния изготовленных волноводов с толщиной световодного слоя из нитрида кремния 200 нм и шириной 3 и 8 мкм.
В настоящей статье представлены результаты исследования влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя из нитрида кремния толщиной 100 и 200 нм на оптические потери в интегральных волноводах шириной 3 и 8 мкм. Представлен расчет основных параметров шероховатости боковых стенок световодного слоя, оказывающих наибольшее влияние на оптические потери в волноводе, проведенный методом конечных временных разностей. На основании данного расчета была установлена оптимальная толщина световодного слоя из нитрида, позволяющая удерживать световой поток. За основу расчета при построении модели были взяты данные, полученные в ходе исследования РЭМ-снимков, изготовленных волноводных структур. Результаты приведенных расчетов согласуются с данными, полученными в результате исследования посредством рефлектометрии в частотной области рефлектометра обратного рассеяния изготовленных волноводов с толщиной световодного слоя из нитрида кремния 200 нм и шириной 3 и 8 мкм.
Теги: integrated optical waveguide structure integrated optics optical loss photonics reflectometry roughness рефлектометрия silicon nitride silicon technology интегральная оптика интегрально-оптические волноводные структуры кремниевая технология нитрид кремния оптические потери фотоника шероховатость
А.В.Якухина*, науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-0729-9653), Д.В.Горелов*, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-0887-9406), А.С.Кадочкин*, к.ф.-м.н., ст. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-7960-1583), С.С.Генералов*, нач. лаб., (ORCID: 0000-0002-7455-7800), В.В.Амеличев*, к.т.н., нач. отдела, (ORCID: 0000-0002-4204-2626), В.В.Светухин*, д.ф.-м.н., проф., директор, (ORCID: 0000-0003-0831-9254) / V.Amelichev@tcen.ru
A.V.Yakuhina*, Researcher, D.V.Gorelov*, Junior Researcher, A.S.Kadochkin*, Cand. of Sc. (Technical), Senior Researcher, S.S.Generalov*, Head of the Laboratory, V.V.Amelichev*, Cand. of Sc. (Technical), Head of department, V.V.Svetukhin*, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Director of SMC Technological Centre
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.450.457
Получено: 23.11.2020 г.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время стремительно нарастающий темп развития современных систем обработки информации породил тренд к совершенствованию способов их реализации. Постоянно растущие объемы данных, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи, стали движущей силой обширных исследований и разработок в области технологии фотонных интегральных схем (ФИС) [1]. По сравнению с оптоволоконными системами фотонные интегральные схемы могут обеспечить улучшенную производительность и стабильность при меньших габаритах и более низкой стоимости [2]. Использование ФИС позволяет решать важные проблемы в области передачи данных, используя масштаб интеграции для снижения стоимости, занимаемой площади, мощности и повышения производительности [3]. Хотя оптическая связь является одним из основных приложений и основным двигателем фотонной интеграции, активное использование ФИС также можно найти в таких областях применения, как зондирование [4], спектроскопия [5], рамановская спектроскопия [6], оптическая когерентная томография [7], биохимические сенсоры [8–10] и оборонный комплекс [11]. Одним из значимых преимуществ ФИС является совместимость со стандартными кремниевыми технологиями. Это делает возможным изготовление изделий кремниевой фотоники с использованием стандартных технологических процессов в рамках уже существующих производственных площадок, преимущественно загруженных производством электронных интегральных схем. Такой подход позволяет минимизировать возможные финансовые затраты, связанные с запуском специализированного производства [12].
Успешная реализация ФИС в значительной степени зависит от используемых материалов и процессов изготовления. Например, для правильной работы устройства необходимо точно контролировать показатель преломления и толщину материала [13]. Такие процессы, как травление и осаждение, должны быть оптимизированы для минимизации шероховатости поверхности оптических волноводных структур и поглощения материала. Поэтому тщательный выбор материала и способа изготовления является важным шагом к серийному производству ФИС.
Оптимальными с точки зрения совместимости с кремниевыми технологиями являются интегральные оптические волноводные структуры (ИОВС), в которых в качестве световодного слоя используется Si, SiO2 и Si3N4. В то время как основные материалы интегральной технологии кремний и диоксид кремния обычно страдают от высоких потерь или делокализованных оптических режимов, Si3N4 обеспечивает преимущества как высокого удержания светового потока, так и высокой добротности [14–18]. Помимо этого, нитрид кремния обладает рядом нелинейных свойств, таких как параметрическое усиление [19], широкополосная генерация суперконтинуума [20] и прозрачность в ближней инфракрасной и видимой областях спектра [21]. Такие свойства предоставляют широкий спектр новых возможностей применения нитрида кремния в ФИС.
Таким образом, обоснование выбора толщины световодного слоя 200 нм из нитрида кремния для изготовления симметричных волноводных структур с оболочкой из оксида кремния является одной из актуальных задач на начальном этапе создания ФИС. Поэтому, на основании ранее описанного метода расчета влияния различных параметров шероховатости [22] приводим новые результаты исследования величины оптических потерь для волноводов различной толщины (100 и 200 нм).
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В результате проведения ряда экспериментов, в ходе которых на кремниевых и кварцевых подложках были сформированы пленки из осажденного LPCVD нитрида кремния различной толщины, был сделан вывод о том, что данные пленки обладают высоким оптическим качеством. Пленки нитрида кремния с низким уровнем механического напряжения могут быть выращены с помощью плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) и модифицированных процессов химического осаждения из паровой фазы низкого давления (LPCVD), но пленки при этом получаются с более высоким уровнем поглощения, вызванным оборванными связями H и O с Si и N в ИОВС [23]. В связи с этим, для определения оптимальной толщины пленки нитрида кремния, обеспечивающей максимальную локализацию светового потока, необходимо комплексное исследование ряда конструктивных и технологических параметров.
На первом этапе исследования с целью определения текущего состояния технологического процесса формирования световодного слоя из нитрида кремния были изготовлены тестовые образцы симметричных интегральных волноводов со световодным слоем из нитрида кремния на кварцевой подложке. На всех этапах изготовления данных волноводов, для осуществления контроля качества выполненных операций, одновременно с рабочими структурами на кварцевых подложках все технологические операции выполнялись также и на контрольных кремниевых пластинах. Это позволило получить наглядные снимки профиля диэлектрической структуры при помощи растрового электронного микроскопа, которые представлены на рис.1 [22]. Данные о шероховатости, полученные в ходе анализа этих РЭМ-снимков, легли в основу расчета, проведенного методом конечных временных разностей.
Подробно процесс формирования симметричного интегрального волновода, а также метод расчета критически значимых параметров шероховатости боковой стенки световодного слоя из нитрида кремния был описан ранее в работе [22]. Наиболее значимым, с точки зрения минимизации эффекта рассеяния светового потока из-за несовершенства границ раздела, является способ формирования световодного слоя из нитрида кремния. Поэтому для оценки текущего состояния технологического процесса его формирования был проведен анализ боковой поверхности стенок нитрида кремния схожих контрольных структур, полученных на кремниевых пластинах в одном процессе с исследуемыми образцами, на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Такой способ оценки был выбран ввиду того, что при исследовании диэлектрических структур, каковыми по сути являются описываемые нами волноводы, в растровом электронном микроскопе происходит накопление заряда в диэлектрических слоях, что вызывает "засветку" кадра и препятствует проведению анализа. В результате было выявлено, что шероховатость боковой стенки профиля травления нитрида кремния имеет волнообразную форму с периодом порядка 30 нм и амплитудой 10–20 нм [22].
Для расчета влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя нитрида кремния на оптические потери в многомодовом оптическом волноводе был использован метод конечных временных разностей (FDTD). За основу были взяты данные, полученные при исследовании шероховатости световодного слоя ранее изготовленных волноводов. Параметры σ (среднеквадратичное отклонение шероховатости) и δ (продольный размер шероховатости), используемые для расчета, четко представлены на рис. 2 [22].
Для оценки достоверности предложенного метода изготовленные интегральные волноводы были исследованы при помощи рефлектометрии частотной области (OFDR) рефлектометра обратного рассеяния (OBR). Метод обратного рассеяния основан на введении в волноводную структуру импульсного оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на приемник в результате обратного рассеяния и отражений распространяющейся в волокне световой волны [24]. Данный метод является оптимальным при решении задач, требующих, как в нашем случае, сочетания высокой скорости, чувствительности и разрешения при анализе коротких и промежуточных длин линий передачи [25]. Расчетные данные и данные, полученные в результате оценки рефлектограмм хорошо согласуются, что позволяет говорить о достоверности предложенного метода [22]. В связи с этим для определения влияния аналогичных параметров шероховатости боковых стенок в волноводе с толщиной световодного слоя из нитрида кремния 100 нм был проведен расчет указанным методом.
Также для определения степени локализации светового потока в исследуемых волноводах различной ширины и с различной толщиной световодного слоя был проведен расчет распределения напряженности электрического поля методом конечного элементного анализа. Данный расчет необходим для определения оптимальной конструкции интегрального волновода с точки зрения удержания светового потока внутри световедущего слоя, иными словами – обеспечения максимального времени жизни фотона внутри волновода. Это является важнейшим критерием, в частности, для реализации на основе таких волноводов высокодобротных резонансных структур.
Результаты расчета методом конечных временных разностей представлены в сводной табл.1, включающей значения, полученные для волновода со световедущим слоем из нитрида кремния толщиной 100 и 200 нм.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что при снижении толщины световодного слоя из нитрида кремния величина оптических потерь возрастает в разы. По сути, можно сказать, что световой поток полностью переходит в оболочку. Данный вывод также подтверждается результатами расчета методом конечных элементов, наглядно представленными на рис.3.
В результате проведенных расчетов было установлено, что снижение величины среднеквадратичного отклонения шероховатости даже при условии сохранения величины ее продольного размера приводит к снижению величины оптических затуханий в волноводе со световодным слоем из нитрида кремния толщиной как 200 нм, так и 100 нм. Это вновь подтверждает вывод о влиянии шероховатости боковых стенок световодного слоя на величину оптических затуханий в волноводе. Однако, в случае использования волновода с толщиной световодного слоя 100 нм световой поток не будет локализован в достаточной степени, вне зависимости от характеристики боковых стенок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И БЛАГОДАРНОСТИ
Проведенные расчеты подтвердили сделанный ранее [22] вывод о положительном влиянии снижения среднеквадратичного отклонения шероховатости боковых стенок Si3N4 световодного слоя даже при условии сохранения величины ее продольного размера на величину оптических потерь в интегральном волноводе. Одновременно с этим было установлено, что уменьшение толщины пленки Si3N4, из которой впоследствии формируется световодный слой, до 100 нм приводит к делокализации светового потока. Это говорит о том, что для формирования интегральных волноводов с минимальной величиной оптических потерь необходимо совершенствовать способы формирования световодного слоя, а также уделять особое внимание его толщине.
Настоящая статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания на 2019 год (проект № 0Н59-2019-0020) "Теоретические и экспериментальные исследования конструктивно-технологических методов создания интегральных оптических элементов, совместимых с кремниевой технологией". При выполнении работы использовалось оборудование центра коллективного пользования "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр".
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Muellner P. et al. CMOS-compatible Si3N 4 waveguides for optical biosensing // Procedia Engineering. 2015. V. 120. С. 578–581.
Bauters J.F. et al. Ultra-low-loss high-aspect-ratio Si 3 N 4 waveguides // Optics express. 2011. V. 19. No. 4. PP. 3163–3174.
Heck M.J. R. et al. Hybrid silicon photonic integrated circuit technology // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2012. V. 19. No. 4. PP. 6100117–6100117.
Pozo J., Harmsma P., Cascio D.M. R. L. Application specific photonic integrated circuits and the sensing industry // 2013 15th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON) // IEEE, 2013. PP. 1–1.
Martens D. et al. Compact silicon nitride arrayed waveguide gratings for very near-infrared wavelengths // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 27. No. 2. PP. 137–140.
Dhakal A. et al. Evanescent excitation and collection of spontaneous Raman spectra using silicon nitride nanophotonic waveguides // Optics letters. 2014. V. 39. No. 13. PP. 4025–4028.
Yurtsever G. et al. Photonic integrated Mach-Zehnder interferometer with an on-chip reference arm for optical coherence tomography // Biomedical optics express. 2014. V. 5. No. 4. PP. 1050–1061.
Ymeti A. et al. Fast, ultrasensitive virus detection using a young interferometer sensor // Nano letters. 2007. V. 7. No. 2. PP. 394–397.
Ghasemi F. et al. Self-referenced silicon nitride array microring biosensor for toxin detection using glycans at visible wavelength // Nanoscale Imaging, Sensing, and Actuation for Biomedical Applications X. – International Society for Optics and Photonics, 2013. V. 8594. P. 85940A.
Liu Q. et al. Highly sensitive Mach–Zehnder interferometer biosensor based on silicon nitride slot waveguide // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. V. 188. P. 681–688.
Roeloffzen C.G. H. et al. Integrated optical beamformers // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2015. P. Tu3F. 4.
Baets R. et al. Silicon Photonics: silicon nitride versus silicon-on-insulator // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2016. P. Th3J. 1.
Moreira R.L. Integrated optical delay line circuits on a ultra-low loss planar waveguide platform. – University of California, Santa Barbara, 2016.
Hosseini E.S. et al. High quality planar silicon nitride microdisk resonators for integrated photonics in the visiblewavelength range // Optics express. 2009. V. 17. No. 17. P. 14543–14551.
Cirino G.A. et al. Simulation and fabrication of silicon nitride microring resonator by DUV lithography // 2016 31st Symposium on Microelectronics Technology and Devices (SBMicro) // IEEE, 2016. PP. 1–4.
Daldosso N. et al. Comparison among various Si/sub 3/N/sub 4/waveguide geometries grown within a CMOS fabrication pilot line // Journal of Lightwave Technology. 2004. V. 22. No. 7. PP. 1734–1740.
Gorin A. et al. Fabrication of silicon nitride waveguides for visible-light using PECVD: a study of the effect of plasma frequency on optical properties // Optics Express. 2008. Т. 16. No. 18. PP. 13509–13516.
Gondarenko A., Levy J.S., Lipson M. High confinement micron-scale silicon nitride high Q ring resonator // Optics express. 2009. V. 17. No. 14. PP. 11366–11370.
Pfeifle J. et al. Microresonator-based optical frequency combs for high-bitrate WDM data transmission // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2012. P. OW1C. 4.
Halir R. et al. Ultrabroadband supercontinuum generation in a CMOS-compatible platform // Optics letters. 2012. V. 37. No. 10. PP. 1685–1687.
Romero-García S. et al. Silicon nitride CMOS-compatible platform for integrated photonics applications at visible wavelengths // Optics express. 2013. V. 21. No. 12. PP. 14036–14046.
Yakuhina A. et al. Investigation of Side Wall Roughness Effect on Optical Losses in a Multimode Si3N4 Waveguide Formed on a Quartz Substrate // Photonics. – Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2020. V. 7. No. 4. P. 104.
Luke K. et al. Overcoming Si 3 N 4 film stress limitations for high quality factor ring resonators // Optics express. 2013. V. 21. No. 19. PP. 22829–22833.
Былина М.С. и др. Измерение параметров волоконно-оптических линейных трактов. Учебное пособие // СПб: СПб ГУТ, 2002.
Soller B.J. et al. High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies // Optics express. 2005. V. 13. No. 2. PP. 666–674.
A.V.Yakuhina*, Researcher, D.V.Gorelov*, Junior Researcher, A.S.Kadochkin*, Cand. of Sc. (Technical), Senior Researcher, S.S.Generalov*, Head of the Laboratory, V.V.Amelichev*, Cand. of Sc. (Technical), Head of department, V.V.Svetukhin*, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Director of SMC Technological Centre
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.7-8.450.457
Получено: 23.11.2020 г.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время стремительно нарастающий темп развития современных систем обработки информации породил тренд к совершенствованию способов их реализации. Постоянно растущие объемы данных, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи, стали движущей силой обширных исследований и разработок в области технологии фотонных интегральных схем (ФИС) [1]. По сравнению с оптоволоконными системами фотонные интегральные схемы могут обеспечить улучшенную производительность и стабильность при меньших габаритах и более низкой стоимости [2]. Использование ФИС позволяет решать важные проблемы в области передачи данных, используя масштаб интеграции для снижения стоимости, занимаемой площади, мощности и повышения производительности [3]. Хотя оптическая связь является одним из основных приложений и основным двигателем фотонной интеграции, активное использование ФИС также можно найти в таких областях применения, как зондирование [4], спектроскопия [5], рамановская спектроскопия [6], оптическая когерентная томография [7], биохимические сенсоры [8–10] и оборонный комплекс [11]. Одним из значимых преимуществ ФИС является совместимость со стандартными кремниевыми технологиями. Это делает возможным изготовление изделий кремниевой фотоники с использованием стандартных технологических процессов в рамках уже существующих производственных площадок, преимущественно загруженных производством электронных интегральных схем. Такой подход позволяет минимизировать возможные финансовые затраты, связанные с запуском специализированного производства [12].
Успешная реализация ФИС в значительной степени зависит от используемых материалов и процессов изготовления. Например, для правильной работы устройства необходимо точно контролировать показатель преломления и толщину материала [13]. Такие процессы, как травление и осаждение, должны быть оптимизированы для минимизации шероховатости поверхности оптических волноводных структур и поглощения материала. Поэтому тщательный выбор материала и способа изготовления является важным шагом к серийному производству ФИС.
Оптимальными с точки зрения совместимости с кремниевыми технологиями являются интегральные оптические волноводные структуры (ИОВС), в которых в качестве световодного слоя используется Si, SiO2 и Si3N4. В то время как основные материалы интегральной технологии кремний и диоксид кремния обычно страдают от высоких потерь или делокализованных оптических режимов, Si3N4 обеспечивает преимущества как высокого удержания светового потока, так и высокой добротности [14–18]. Помимо этого, нитрид кремния обладает рядом нелинейных свойств, таких как параметрическое усиление [19], широкополосная генерация суперконтинуума [20] и прозрачность в ближней инфракрасной и видимой областях спектра [21]. Такие свойства предоставляют широкий спектр новых возможностей применения нитрида кремния в ФИС.
Таким образом, обоснование выбора толщины световодного слоя 200 нм из нитрида кремния для изготовления симметричных волноводных структур с оболочкой из оксида кремния является одной из актуальных задач на начальном этапе создания ФИС. Поэтому, на основании ранее описанного метода расчета влияния различных параметров шероховатости [22] приводим новые результаты исследования величины оптических потерь для волноводов различной толщины (100 и 200 нм).
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В результате проведения ряда экспериментов, в ходе которых на кремниевых и кварцевых подложках были сформированы пленки из осажденного LPCVD нитрида кремния различной толщины, был сделан вывод о том, что данные пленки обладают высоким оптическим качеством. Пленки нитрида кремния с низким уровнем механического напряжения могут быть выращены с помощью плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) и модифицированных процессов химического осаждения из паровой фазы низкого давления (LPCVD), но пленки при этом получаются с более высоким уровнем поглощения, вызванным оборванными связями H и O с Si и N в ИОВС [23]. В связи с этим, для определения оптимальной толщины пленки нитрида кремния, обеспечивающей максимальную локализацию светового потока, необходимо комплексное исследование ряда конструктивных и технологических параметров.
На первом этапе исследования с целью определения текущего состояния технологического процесса формирования световодного слоя из нитрида кремния были изготовлены тестовые образцы симметричных интегральных волноводов со световодным слоем из нитрида кремния на кварцевой подложке. На всех этапах изготовления данных волноводов, для осуществления контроля качества выполненных операций, одновременно с рабочими структурами на кварцевых подложках все технологические операции выполнялись также и на контрольных кремниевых пластинах. Это позволило получить наглядные снимки профиля диэлектрической структуры при помощи растрового электронного микроскопа, которые представлены на рис.1 [22]. Данные о шероховатости, полученные в ходе анализа этих РЭМ-снимков, легли в основу расчета, проведенного методом конечных временных разностей.
Подробно процесс формирования симметричного интегрального волновода, а также метод расчета критически значимых параметров шероховатости боковой стенки световодного слоя из нитрида кремния был описан ранее в работе [22]. Наиболее значимым, с точки зрения минимизации эффекта рассеяния светового потока из-за несовершенства границ раздела, является способ формирования световодного слоя из нитрида кремния. Поэтому для оценки текущего состояния технологического процесса его формирования был проведен анализ боковой поверхности стенок нитрида кремния схожих контрольных структур, полученных на кремниевых пластинах в одном процессе с исследуемыми образцами, на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Такой способ оценки был выбран ввиду того, что при исследовании диэлектрических структур, каковыми по сути являются описываемые нами волноводы, в растровом электронном микроскопе происходит накопление заряда в диэлектрических слоях, что вызывает "засветку" кадра и препятствует проведению анализа. В результате было выявлено, что шероховатость боковой стенки профиля травления нитрида кремния имеет волнообразную форму с периодом порядка 30 нм и амплитудой 10–20 нм [22].
Для расчета влияния шероховатости боковых стенок световодного слоя нитрида кремния на оптические потери в многомодовом оптическом волноводе был использован метод конечных временных разностей (FDTD). За основу были взяты данные, полученные при исследовании шероховатости световодного слоя ранее изготовленных волноводов. Параметры σ (среднеквадратичное отклонение шероховатости) и δ (продольный размер шероховатости), используемые для расчета, четко представлены на рис. 2 [22].
Для оценки достоверности предложенного метода изготовленные интегральные волноводы были исследованы при помощи рефлектометрии частотной области (OFDR) рефлектометра обратного рассеяния (OBR). Метод обратного рассеяния основан на введении в волноводную структуру импульсного оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на приемник в результате обратного рассеяния и отражений распространяющейся в волокне световой волны [24]. Данный метод является оптимальным при решении задач, требующих, как в нашем случае, сочетания высокой скорости, чувствительности и разрешения при анализе коротких и промежуточных длин линий передачи [25]. Расчетные данные и данные, полученные в результате оценки рефлектограмм хорошо согласуются, что позволяет говорить о достоверности предложенного метода [22]. В связи с этим для определения влияния аналогичных параметров шероховатости боковых стенок в волноводе с толщиной световодного слоя из нитрида кремния 100 нм был проведен расчет указанным методом.
Также для определения степени локализации светового потока в исследуемых волноводах различной ширины и с различной толщиной световодного слоя был проведен расчет распределения напряженности электрического поля методом конечного элементного анализа. Данный расчет необходим для определения оптимальной конструкции интегрального волновода с точки зрения удержания светового потока внутри световедущего слоя, иными словами – обеспечения максимального времени жизни фотона внутри волновода. Это является важнейшим критерием, в частности, для реализации на основе таких волноводов высокодобротных резонансных структур.
Результаты расчета методом конечных временных разностей представлены в сводной табл.1, включающей значения, полученные для волновода со световедущим слоем из нитрида кремния толщиной 100 и 200 нм.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что при снижении толщины световодного слоя из нитрида кремния величина оптических потерь возрастает в разы. По сути, можно сказать, что световой поток полностью переходит в оболочку. Данный вывод также подтверждается результатами расчета методом конечных элементов, наглядно представленными на рис.3.
В результате проведенных расчетов было установлено, что снижение величины среднеквадратичного отклонения шероховатости даже при условии сохранения величины ее продольного размера приводит к снижению величины оптических затуханий в волноводе со световодным слоем из нитрида кремния толщиной как 200 нм, так и 100 нм. Это вновь подтверждает вывод о влиянии шероховатости боковых стенок световодного слоя на величину оптических затуханий в волноводе. Однако, в случае использования волновода с толщиной световодного слоя 100 нм световой поток не будет локализован в достаточной степени, вне зависимости от характеристики боковых стенок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И БЛАГОДАРНОСТИ
Проведенные расчеты подтвердили сделанный ранее [22] вывод о положительном влиянии снижения среднеквадратичного отклонения шероховатости боковых стенок Si3N4 световодного слоя даже при условии сохранения величины ее продольного размера на величину оптических потерь в интегральном волноводе. Одновременно с этим было установлено, что уменьшение толщины пленки Si3N4, из которой впоследствии формируется световодный слой, до 100 нм приводит к делокализации светового потока. Это говорит о том, что для формирования интегральных волноводов с минимальной величиной оптических потерь необходимо совершенствовать способы формирования световодного слоя, а также уделять особое внимание его толщине.
Настоящая статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания на 2019 год (проект № 0Н59-2019-0020) "Теоретические и экспериментальные исследования конструктивно-технологических методов создания интегральных оптических элементов, совместимых с кремниевой технологией". При выполнении работы использовалось оборудование центра коллективного пользования "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр".
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Muellner P. et al. CMOS-compatible Si3N 4 waveguides for optical biosensing // Procedia Engineering. 2015. V. 120. С. 578–581.
Bauters J.F. et al. Ultra-low-loss high-aspect-ratio Si 3 N 4 waveguides // Optics express. 2011. V. 19. No. 4. PP. 3163–3174.
Heck M.J. R. et al. Hybrid silicon photonic integrated circuit technology // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2012. V. 19. No. 4. PP. 6100117–6100117.
Pozo J., Harmsma P., Cascio D.M. R. L. Application specific photonic integrated circuits and the sensing industry // 2013 15th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON) // IEEE, 2013. PP. 1–1.
Martens D. et al. Compact silicon nitride arrayed waveguide gratings for very near-infrared wavelengths // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 27. No. 2. PP. 137–140.
Dhakal A. et al. Evanescent excitation and collection of spontaneous Raman spectra using silicon nitride nanophotonic waveguides // Optics letters. 2014. V. 39. No. 13. PP. 4025–4028.
Yurtsever G. et al. Photonic integrated Mach-Zehnder interferometer with an on-chip reference arm for optical coherence tomography // Biomedical optics express. 2014. V. 5. No. 4. PP. 1050–1061.
Ymeti A. et al. Fast, ultrasensitive virus detection using a young interferometer sensor // Nano letters. 2007. V. 7. No. 2. PP. 394–397.
Ghasemi F. et al. Self-referenced silicon nitride array microring biosensor for toxin detection using glycans at visible wavelength // Nanoscale Imaging, Sensing, and Actuation for Biomedical Applications X. – International Society for Optics and Photonics, 2013. V. 8594. P. 85940A.
Liu Q. et al. Highly sensitive Mach–Zehnder interferometer biosensor based on silicon nitride slot waveguide // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. V. 188. P. 681–688.
Roeloffzen C.G. H. et al. Integrated optical beamformers // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2015. P. Tu3F. 4.
Baets R. et al. Silicon Photonics: silicon nitride versus silicon-on-insulator // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2016. P. Th3J. 1.
Moreira R.L. Integrated optical delay line circuits on a ultra-low loss planar waveguide platform. – University of California, Santa Barbara, 2016.
Hosseini E.S. et al. High quality planar silicon nitride microdisk resonators for integrated photonics in the visiblewavelength range // Optics express. 2009. V. 17. No. 17. P. 14543–14551.
Cirino G.A. et al. Simulation and fabrication of silicon nitride microring resonator by DUV lithography // 2016 31st Symposium on Microelectronics Technology and Devices (SBMicro) // IEEE, 2016. PP. 1–4.
Daldosso N. et al. Comparison among various Si/sub 3/N/sub 4/waveguide geometries grown within a CMOS fabrication pilot line // Journal of Lightwave Technology. 2004. V. 22. No. 7. PP. 1734–1740.
Gorin A. et al. Fabrication of silicon nitride waveguides for visible-light using PECVD: a study of the effect of plasma frequency on optical properties // Optics Express. 2008. Т. 16. No. 18. PP. 13509–13516.
Gondarenko A., Levy J.S., Lipson M. High confinement micron-scale silicon nitride high Q ring resonator // Optics express. 2009. V. 17. No. 14. PP. 11366–11370.
Pfeifle J. et al. Microresonator-based optical frequency combs for high-bitrate WDM data transmission // Optical Fiber Communication Conference. – Optical Society of America, 2012. P. OW1C. 4.
Halir R. et al. Ultrabroadband supercontinuum generation in a CMOS-compatible platform // Optics letters. 2012. V. 37. No. 10. PP. 1685–1687.
Romero-García S. et al. Silicon nitride CMOS-compatible platform for integrated photonics applications at visible wavelengths // Optics express. 2013. V. 21. No. 12. PP. 14036–14046.
Yakuhina A. et al. Investigation of Side Wall Roughness Effect on Optical Losses in a Multimode Si3N4 Waveguide Formed on a Quartz Substrate // Photonics. – Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2020. V. 7. No. 4. P. 104.
Luke K. et al. Overcoming Si 3 N 4 film stress limitations for high quality factor ring resonators // Optics express. 2013. V. 21. No. 19. PP. 22829–22833.
Былина М.С. и др. Измерение параметров волоконно-оптических линейных трактов. Учебное пособие // СПб: СПб ГУТ, 2002.
Soller B.J. et al. High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies // Optics express. 2005. V. 13. No. 2. PP. 666–674.
Отзывы читателей
