硫系基质光子晶体波导多孔结构设计、制备与传输特性研究

硫系基质波导器件在光通信、光传感、激光传输等领域具有广阔的应用空间。由硫系基质波导和光子晶体结构结合产生的硫系基质光子晶体波导器件具有传统波导器件所不具备的光学禁带特性，成为一门新兴学科。目前国外已展开硫系基质光子晶体波导的相关研究但还处于起步阶段，有很多亟需解决的科学基础问题和工艺问题，而国内这方面则是研究空白。本项目拟开展硫系基质材料光子晶体波导多孔结构设计、制备和传输特性研究，主要内容包括：硫系基质光子晶体波导结构参数设计，高性能硫系基质波导衬底和膜层材料选择，硫系薄膜制备和成膜特性研究，波导结构刻蚀工艺探索和波导传输特性测试与分析。本课题在国内首次提出光子晶体结构与硫系波导相结合的思想，在现有的波导结构基础上提出介质孔平行四边形、六边形的排列结构和弯曲角度点阵缺陷的导光结构，并拟解决硫系波导制备工艺中的关键技术问题，为波导器件新结构的开发提供理论和技术支持。

由硫系基质波导和光子晶体结构结合产生的硫系基质光子晶体波导器件具有独特的光学禁带特性和周期性结构特征，在全光通信、光传感等领域具有广阔的应用空间，近年来得到广泛的关注。本项目从高品质硫系基质薄膜入手，详细研究了Ge-Sb-Se和Ge-Ga-S两种系统组成薄膜的制备工艺、物化结构特性以及光学特性：采用热蒸发和磁控溅射两种方法尝试薄膜制备，通过表面轮廓仪测试得到两种方法制备的Ge-Sb-Se薄膜都有较高的表面平整度（较低表面粗糙度），薄膜样品具有较高的三阶非线性极化率；对GexGa5S(95-x) (x=25, 30, 35)组分硫系薄膜研究表明Ge/S比的升高，GexGa5S(95-x)薄膜的折射率呈增大趋势，同时薄膜的光学带隙值呈下降趋势。在高品质硫系薄膜基础上，对硫系直波导制备工艺进行了研究：采用光刻+反应离子束刻蚀的方法制备条型和脊型波导，宽度分别为3µm、6µm、9µm和12µm；采用端面耦合法对波导传输损耗进行测试，当波导宽度从12µm减小到3µm时，波导传输损耗从1.08dB/cm增加到5.7dB/cm，说明随着波导宽度增加，波导传输损耗逐渐减小。在光子晶体平板波导制备研究中，具体研究了Ge20Sb15Se65组分二维光子晶体平板波导的制备工艺：设计对称型单排线缺陷孔洞的光子晶体平板波导结构，光子晶体结构周期为550nm，空气孔直径为400nm，两排空气孔之间的间距为500nm；采用聚焦离子束刻蚀法（FIB）和电子束曝光+离子刻蚀两种方法进行光子晶体结构制备。此外，以Ge20Sb15Se65薄膜为基质，研究了二维硫系光子晶体慢光（较小的群速度或较大的群折射率）波导结构设计和60°角弯曲光子晶体波导结构设计：为了获得低色散、宽带慢光，采用的方法是改变临近线缺陷的两排空气孔半径，可提供满足不同需求的低色散宽带慢光特性；对于弯曲硫系光子晶体波导，选择了周期为a=500 nm，半径为0.3a的三角晶格的空气孔型光子晶体结构参数，通过两种结构优化1550nm的通信工作波长处，可以获得高达99%以上的传输效率。通过本项目对硫系基质光子晶体波导结构设计和制备工艺研究，为硫系波导器件新结构的设计和开发提供了理论依据和技术支持，为进一步在光传感、光通信领域发展硫系波导器件打下了基础。