用于光子芯片的Ge-Sb-Se光学薄膜的制备与性能表征【开题报告+文献综述+毕业设计】.Doc

PAGE I 毕业设计开题报告 通信工程 用于光子芯片的Ge—Sb—Se光学薄膜的制备与性能表征 一、选题的背景与意义： 光学薄膜指的是光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分射、带通或截止等光学现象的各类膜系。光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层间的界面呈现几何分割；膜层的折射率可以在界面上可以发生跃变，但是在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD）和化学液相沉积（CLD）两种工艺来获取。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，还存在废水废气造成污染的问题，已经很少使用。PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好，目前已经广泛采用。在PVD方法中，根据膜料气化方式的不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀以及离子辅助镀技术，其中，光学薄膜主要是采用热蒸发技术和离子辅助镀技术。虽然热蒸发工艺具有操作简单，沉积速度快等特点，但是薄层与初始玻璃的组分有很大的差异，其主要原因在于液相往气相转变时可能出现多种不同于固态玻璃组分的结构体，而蒸气压高的结构体就可能优先沉积。然而必须说明的是，溅射及离子镀技术制造的薄膜质量要比热蒸发技术制造的薄膜质量好得多，之所以迟迟没有用于光学薄膜制造，是由于用于光学薄膜制造时，在技术上存在一些难题。当然，这些难题目前已经和正在得到解决，如磁控溅射技术是目前在商业上使用最为广泛的实用的溅射方法，用磁控溅射方法制备薄膜具有沉积率高、薄膜与基片的附着性能好、致密度好、便于大批量工业生产等优点，因而该方法被广泛采用。 光学薄膜已经广泛应用于图像信息、光纤通信、卫星遥感、航空航天以及国防军事等诸多领域，特别是光电信息方面，光学薄膜更是占据了不可或缺的重要地位。国际权威期刊Nature Materials将硫系薄膜誉为多功能光器件的理想材料，其优势有两点：（1）硫系薄膜具有三阶非线性极化率大、双光子吸收系数小、响应时间快等特点。（2）硫系薄膜具有独特的光敏性。利用光致折射率变化的性质可以激光直写光波导，制备表面光栅、集成布拉格光栅和二维光子晶体等集成光学器件。基于以上特点，《OpticalExpress》、《Optical Letter》等刊物近几年相继发表了数十篇硫系薄膜波导制备及其在光器件应用的研究报道。如2004年Y.Ruan等人制备不同商用硫系玻璃作为膜层材料的脊型单模波导，研究不同基质薄膜和波导结构下1.55μm激光波长的传输特性；2007年S.J.Madden等人制备的As2S3薄膜波导，成功应用于全光2R再生；2009年F.Luan等人基于As2S3薄膜波导实现了可应用于40Gb/s速率、转换带宽高达80nm的波长转换器；2009年M.Galili等人用于高速640 Gb/s传输速率的全光解复用器在As2S3 薄膜波导上也实现技术突破；特别在澳大利亚国立大学激光物理中心实现了集成波长转换器、光解复用器、光存储和光交换为一体的处理速率高达640Gb/s 的硫系光子芯片，被誉为下一代因特网数据处理中心。由此可见，硫系光学薄膜作为光器件的基础材料在未来的全光网络中具有及其重要的应用。因此，对光学薄膜的设计、工艺等的进一步研究改进对光电信息技术发展及其他相关领域的发展都是非常必要的。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： (1)研究的基本内容： 通过控制不同的磁控溅射条件（如溅射电流、溅射电压、靶基距离、气体压强、基地温度等）制备Ge—Sb—Se光学薄膜，研究其工艺条件与薄膜组分、薄膜厚度、凝聚态结构、薄膜表面形貌以及薄膜与衬底界面结合微观结构的关系，建立完整的薄膜特性与工艺技术之间的知识体系。重点研究掌握薄膜厚度均匀性、表面平整度、薄膜组分与靶材一致性等关键工艺参数。 (2)拟解决的主要问题： 如何精确的把握靶材和基板间的距离，靶源磁场磁力线方向分布，热处理等工艺，对膜的厚度、成分、均匀性以及表面粗糙度等性能的影响的规律是实验成功与否的关键。 三、研究的方法与技术路线： 本课题主要采用磁控溅射法制备光学薄膜。磁控溅射是70年代在阴极溅射的基础上加以改进而发展的一种新型溅射镀膜法，由于他有效地克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，因此，他一问世便获得了迅速的发展和广泛的应用。 如下图所示为磁控溅射法制备光学薄膜的简式原理图，现将密封的空间匣抽成真空状态使其达到一定的压强，在充入固定的气体（如氩气），再加入一定的功率使空间匣内的气体正离子具有一定的动量去轰击膜料表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能从而从膜料表面溅射出去，再被基板表面凝聚成膜，再