引言

紹了在離子絕緣晶片上制作的鍺肋波導器件，作為鍺中紅外光子學的概念驗證平臺。數值分析表明，在1.95微米波長下，載流子注入鍺波導器件中給定光衰減的驅動電流可以比硅器件中的驅動電流小大約5倍，使得基于自由載流子吸收的同軸載流子注入鍺光調制器成為可能。我們通過晶片鍵合制備了具有2微米厚的掩埋氧化物層(BOX)的GeOI晶片。利用鍺晶片制作了鍺脊波導。鍺肋波導對2個微米波長是透明的，傳播損耗為1.4分貝/毫米，這可能是由側壁散射引起的。

介紹

中紅外光子學現在在傳感和光通信應用中引起了相當大的關注。從2到15微米的MIR光譜為許多重要分子提供了獨特的靈敏度和特異性，這可能成為廣泛收集傳感器的基礎[3]。此外，由于低損耗光子晶體光纖和光纖放大器的發展，人們對利用2微米頻帶來增加未來光纖通信系統的傳輸容量的興趣越來越大。

然而，傳統的MIR技術在應用于這些新應用時遇到了困難，因為這些設備是分立的、笨重的、昂貴的并且耗電[8]。為了克服這些困難，光子集成技術通過縮小器件尺寸是有效的。到目前為止，已經開發了許多用于MIR光子學集成的新平臺，包括Si膜、Si-onAl2O3和Ge-on-Si平臺，其中Ge-on-Si平臺很有希望提供最寬的有用MIR波長范圍和一定的工藝簡易性。最近，已經有一些研究在鍺硅波導中實現了非常低損耗的MIR光傳輸。此外，像平面凹面光柵、陣列波導光柵和熱光移相器等其它鍺硅器件也已被證實。然而，硅上鍺平臺有一些固有的缺點。首先，硅包層中的吸收限制了可用的波長范圍；第二，鍺和硅之間相對較小的折射率差異阻礙了光子器件覆蓋區的縮小；此外，由于晶格失配而導致缺陷鍺/硅界面也可能降低器件性能。因此，強烈需要一種替代結構。

對于MIR光傳輸，Ge幾乎是一種理想的材料，因為它幾乎在整個MIR范圍內都表現出高透明度[2]。特別是，對于2微米波段的電信，基于應變鍺和鍺硅材料的激光和光探測的最新進展[19–22]使得使用基于阿格的平臺實現有源和無源光子器件的單片集成變得非常可行。此外，Ge在MIR范圍內具有許多良好的光學性質，例如高折射率(Si 3.45，Ge 4.1在2μm) 和強χ非線性(Si的100倍)。此外，體鍺的熱光效應是體硅的3倍。據報道，鍺的自由載流子吸收比硅大得多。根據一些研究，鍺也有望表現出非常強的自由載流子吸收。在大約2微米波長下，鍺中空穴的自由載流子吸收預計比硅中的自由載流子吸收大10倍，這可能導致MIR光的高效吸收調制應用。

實驗

在這項工作中，我們提出了一個概念驗證Ge MIR集成光子學平臺，平臺上有無源和有源Ge光子器件。利用鍺有源光子器件，我們研究了基于自由載流子調制的光強調制。圖1顯示了帶有橫向p-i-n結的GeOI晶圓上的鍺肋波導示意圖。首先，我們對基于橫向p-i-n結自由載流子注入的阿格可變光衰減器進行了數值分析。然后，我們評估了在2微米波長的GeO晶片上制作的鍺肋無源波導。由于GeO結構中的強光學限制，我們在鍺脊波導中實現了良好的光傳輸，并且在2微米波段的急彎處幾乎可以忽略彎曲損耗。我們還通過橫向p-i-n結的載流子注入，證明了基于Ge中自由載流子吸收的光強調制。

圖。1.用于載流子注入光強度調制的geO晶片上具有橫向p-i-n結的Ge脊形波導的示意圖。

在這項工作中，我們提出了一個概念驗證Ge MIR集成光子學平臺，平臺上有無源和有源Ge光子器件。利用鍺有源光子器件，我們研究了基于自由載流子調制的光強調制。圖1顯示了帶有橫向p-i-n結的GeOI晶圓上的鍺肋波導示意圖。首先，我們對基于橫向p-i-n結自由載流子注入的阿格可變光衰減器進行了數值分析。然后，我們評估了在2微米波長的GeO晶片上制作的鍺肋無源波導。由于GeO結構中的強光學限制，我們在鍺脊波導中實現了良好的光傳輸，并且在2微米波段的急彎處幾乎可以忽略彎曲損耗。我們還通過橫向p-i-n結的載流子注入，證明了基于Ge中自由載流子吸收的光強調制。

.載流子注入鍺調制器的數值分析

為了估算基于自由載流子效應的載流子注入光鍺調制器的調制效率，我們通過計算機輔助設計模擬(TCAD圣塔魯斯)和有限元光模分析，對具有橫向p-i-n結的阿格肋波導進行了數值分析。

圖2(a)說明了模擬的器件結構及其摻雜分布。我們設計了芯寬600納米、芯厚220納米、板厚50納米的阿格肋波導。本征鍺層具有恒定的摻雜分布，硼摻雜濃度為1×1016 cm3.為了形成p +和n +摻雜區域，在鍺平板區域的左側和右側分別施加濃度為1×1020 cm3的硼和磷摻雜。使用這種結構，使用有限元方法計算模態分布。圖2(b)顯示了具有二氧化硅包層的鍺脊波導在1.95微米波長下的基本類熱電模的電場強度分布。

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圖。2.(a)具有橫向p-i-n結的阿格肋形波導的結構和(b)在具有二氧化硅包層的阿格肋形波導中基本類熱電模(在1.95微米)的電場強度分布。

高質量絕緣體上鍺晶片制造

以前有過電子器件用GeOI晶片制造的研究，通常使用薄BOX結構。然而，對于光子器件來說，厚的BOX結構對于實現強光學限制是不可或缺的。為了制造我們的Ge MIR光子學平臺所需的具有厚BOX層的高質量GeOI晶片，我們鍵合了阿格體晶片和硅晶片。為了分割鍵合的鍺晶片，我們使用了Smart-CutTM技。圖4(a)顯示了GeOI晶圓制造的工藝流程。

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?圖。4.(a)絕緣體上鍺晶片制造的工藝流程，以及(b)所制造的絕緣體上鍺晶片的橫截面透射電子顯微鏡圖像。

GeO晶片上的鍺肋無源波導

為了研究鍺脊波導在MIR波長下的傳輸特性，采用傳統的硅CMOS工藝在鍺晶片上制作了直波導和彎曲波導。首先，用CF4氣體通過反應離子刻蝕(RIE)對GeO晶片進行預清洗，并將頂部鍺層減薄至300納米。然后，通過電子束光刻和用CF4氣體的RIE干蝕刻形成2-微米寬的波導圖案。我們制作了芯厚300納米、板厚100納米的鍺脊波導。最后，在樣品上沉積300納米厚的二氧化硅層進行鈍化。

結論

通過在晶片上開發Ge MIR光子元件，包括Ge肋無源波導和載流子注入，我們成功地展示了概念驗證Ge MIR集成光子學平臺。由于在MIR波長下鍺中有望產生強自由載流子效應，載流子注入鍺器件在MIR中具有很大的光強度調制潛力。為了實現基于工作在MIR波長的阿格肋波導的載流子注入器件，我們在GeOI晶片上制作了Ge肋波導，并對其傳輸特性進行了表征。鍺脊波導實現了2微米波段的光傳輸，傳播損耗為1.4分貝/毫米。由于強光學限制，我們還在具有5微米半徑的鍺彎曲波導中實現了每90轉0.2分貝的可忽略彎曲損耗。利用具有橫向p-i-n結的鍺脊形波導，我們首次證明了通過Ge p-i-n結注入載流子實現的基于Ge中自由載流子吸收的光強調制。目前，鍺脊波導的傳播損耗高于鍺硅波導。然而，通過工藝優化，平臺上的器件性能還有很大的提升空間。因此，我們證明了襯底上的光子學平臺對于MIR集成光子學非常有前途。

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