第七章 集成光学器件的材料 目录7.1 光子集成用材料的共同要求7.2 半导体材料 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料7.3 介质材料 7.3.1 LiNbO3和LiTaO3晶体 7.3.2 ZnO晶体7.4 聚合物材料和玻璃材料 7.4.1 聚合物材料 7.4.2 玻璃材料7.5 磁性材料 7.1 光子集成用材料的共同要求•包括无源器件和有源器件的集成•共同要求–要易于形成质量良好的光波导，满足器件功能要求；包括：易于实现光波导；在给定波长范围内损耗≤1dB/cm–集成性能良好，即在同一衬底上可以制备出尽可能多的不同功能的器件；包括制作有源器件的带隙宽度、阈值等，电/光器件的兼容性等---目前最大的困难–材料本身和加工的经济性 7.2 半导体材料•是目前唯一可以同时制作光子有源器件、电子有源器件、光子无源器件的材料•但对于某些特性不是最佳•分为： 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料 7.2.1 间接带隙半导体材料7.2.2 直接带隙半导体材料光子与半导体作用遵循光子与半导体作用遵循能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：p p＝＝ħk k 电子波矢k=2/ 7.2.1 间接带隙半导体材料---Si•优势–硅片尺寸大（12‘）、质量高、价格低、机械性能好、加工方便–平面硅工艺是目前最重要的IC工艺，最成熟–具有诸如电光等效应、波导损耗低、可制作光检波器件•问题---作为光源量子效率太低，载流子迁移速度低•用途–混合集成的衬底---硅基集成光子学！！！–光波导及光波导器件（光分波/合波器件，，，）–热光/电光器件（调制器、开关，，，） SOI光波导 (Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)•SOI---低功耗、高速CMOS器件的基本材料，被称为“二十一世纪的硅基础电路技术”。
也具备许多优越的光学特性，比如低损耗(在光通信波段)、高折射率差，这使得它不但能用来制作灵巧紧凑的光集成器件，也为利用CMOS微电子工艺实现光电集成提供了一个很好的平台SOI材料中作为波导芯层的硅折射率很大，与作为包层的SiO2之间有很大的折射率差 SOI光波导特点1.可以将SiO2包覆层做的很薄（小于1微米），便于OEIC工艺的实现2.具有抗核辐射能力，在空间和军工应用广泛3.单模波导损耗可以很低，适合制作无源器件 7.2.2 直接带隙半导体材料1.InGaAsP材料体系（Ⅲ-Ⅴ族为主）1.GaAs、InP（二元化合物）2.InGaAs、AlGaAs （三元化合物）3.InGaAsP （四元化合物）2.GaN材料体系1.GaN、AlN3.MgZnSSe材料体系1.ZnSe、ZnS2.ZnSSe 表7.1 InGaAsP材料体系主要参数半导体材料禁带宽度eV对应的波长m折射率备注GaAs1.420.8710.62LDAl0.03Ga0.97As1.460.8510.61850nmAl0.47Ga0.53As1.830.683.47LDInP1.350.923.40In0.76Ga0.24As0.55P0.450.951.303.511310 nmLDIn0.65Ga0.35As0.79P0.210.801.553.541550 nm LDIn0.47Ga0.53As0.751.673.56长波长PD/APD 表7.2 纤锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性特性GaNAlN禁带宽度eV3.39（T=300K）3.50（T=1.6K）7.2（T=300K）7.28（T=1.6K）晶格常数（Å）a=3.189c=5.185a=3.112c=4.982热膨胀系数(K-1)(T=300K)△a/a=5.59×10-6△c/c=3.17×10-6△a/a=4.2×10-6△c/c=5.3×10-6热导率(W/cm*K)1.32.0折射率n(1eV)=2.23n(3.38eV)=2.67n=2.15介电常数8.98.5 •相的GaN为直接带隙半导体，Eg=3.39eV InxGa1-xN的Eg=1.95~3.39eV； AlxGa1-xN的Eg=3.39~7.28eV；均为直接带隙半导体材料。
是紫外LED、LD的主要材料•主要问题：–衬底材料为Al203（蓝宝石）和SiC，异质外延生长–高的缺陷密度–缺乏解理面（国家“863”计划—VCSEL）–InGaN/GaN量子阱的发光机理不清，热电、压电 等理论和实验均有许多问题有待解决 表7.3 闪锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性特性GaNAlN禁带宽度（eV）（T=300K）3.2~3.35.11（理论值）晶格常数（Å）4.524.33（理论值）折射率n=2.5 7.3 介质材料（dielectric material ）•介质材料---介电常数比较高的材料，可分为微波介质材料、光学介质材料；按材料的状态和性质分为光学晶体、光学玻璃 等•光学晶体材料：具有非常突出的电光或者声光、热光、磁光等性能，特别适合于光开关、光调制器、耦合器等器件•常用的包括： -LiNbO3和LiTaO3晶体 -ZnO晶体 7.3.1 LiNbO3和LiTaO3晶体•属于3m点群的负单轴晶体•LiNbO3很高的电光•LiNbO3很高的声光系数和最小的声衰减系数（0.05dB/cm）•容易制出光、声两波场重叠系数很高的光波导和声波导，提高声光器件的效率•短波长强光密度下容易出现“光损伤”•耐热冲击性能差，加工困难 7.3.2 ZnO晶体•具有优良的压电特性，同时具有很强的电光系数、很大的非线性光学效应•容易制成薄膜•制作工艺：–玻璃、熔融石英、SiO2/Si等非晶材料为衬底溅射ZnO薄膜–蓝宝石衬底上外延 7.4 聚合物材料和玻璃材料（无定形材料） 7.4.1 聚合物材料•主要材料包括：聚异丁烯酸甲酯（PMMA)、环氧树脂（expoxy)、苯丙环丁烯（benzocy-clobutene，BCB)、氟化聚酰亚胺（polyimide）、聚碳酸酯（polycarborates，PC）•物理特性：电光和热光•特点：–价格低，制作简单–可以淀积在半导体衬底上，易于实现混合集成–光波导损耗低、与光纤的耦合损耗也低–可以有效利用折射率的变化获得强度和相位的调制–通过调节有机材料组份以强化电光或声光特性 7.4.2 玻璃材料•熔融石英(SiO2)是最常用的波导材料•工艺：–离子交换法–火焰水解淀积(FHD)生长模层、光刻和反应离子刻蚀形成波导•衬底：–Si单晶–玻璃•与SOI相比–制作简单–改变材料结构容易–热稳定性好•典型产品：多路耦合器 7.5 磁性材料•典型体材料---钇铁石榴石YIG（Y3Fe5O12)•典型薄膜材料---铋铁石榴石YIG（Bi3Fe5O12)•亚铁磁性晶体，通过掺杂提高法拉第旋转角•1100~1500nm的光吸收系数很低•主要制作光隔离器，也可制作调制器、开关等•衬底---钆镓石榴石GGG（Nd3Ga5O12)等•薄膜制备---化学汽相淀积、溶胶-凝胶、射频溅射 。