ЛИТЕРАТУРА
1. Решетников Ф. Г., Бибилашвили Ю. К, Головкин И. С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. / Под ред. Ф. Г. Решетникова. — М.: Энергоатомиздат, 1995.
2. Ануфриев Б. Ф, Островский В. Р., Халфин Т. М. Система измерения давления гелия в твэлах термоакустическим методом // Датчики и системы. — 2012. — № 2. — С. 37—40.
3. Лепендин Л. Ф. Акустика. — М.: Высшая школа, 1978. — 448 с.
Александр Нариманович Аблеев — научн. сотрудник Научно-исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ
"МИФИ");
® 8-917-524-14-54
E-mail: ableev@mail.ru
Борис Федорович Ануфриев — канд. техн. наук, доцент НИЯУ "МИФИ";
® 8-917-595-03-97
E-mail: BFAnufriyev@mephi.ru
Сергей Павлович Мартыненко — научн. сотрудник НИЯУ "МИФИ";
® 8-903-233-92-50
E-mail: spmart@mail.ru
Юрий Семенович Шульман — гл. конструктор инженерного центра ОАО "Машиностроительный завод".
® 8-903-205-62-41
E-mail: elmsz@elemash.ru □
УДК 681.787
ВОЛНОВОДНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР МАХА-ЦЕНДЕРА НА СТРУКТУРЕ КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ
Н. В. Масальский
Обсуждается перспективный подход для синтеза высокоэффективного волноводного оптического интерферометра Маха-Цендера на основе стандартной кремниевой технологии. На основе численных расчетов оптимизируются топологические параметры устройства для достижения высоких метрологических характеристик. Ключевые слова: кремниевая фотоника, волноводный оптический интерферометр, кремний на изоляторе.
Волноводные оптические датчики на основе интерференционной схемы Маха-Цендера находят широкое применение как для измерения различных физических величин, так и для контроля параметров объекта [1]. Большой интерес к оптическим устройствам такого рода обусловлен в основном их широко-полостностью, высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном, простотой мультиплексирования сигнала, применением интегральных технологий [2]. Последнее свойство прекрасным образом конвергируется с интенсивно развивающимся направлением оптоэлектроники, получившим название кремниевой фотоники [3, 4]. Эта область связана с разработкой оптоэлектронных устройств, совместимых с кремниевой технологией, в частности технологией КНИ (кремний на изоляторе), которая широко используется в микроэлектронике. Переход оптоэлект-
роники на кремниевую платформу позволит в полной мере использовать достижения полупроводниковой индустрии и существенно сократит затраты на производство оп-тоэлектронных устройств. К настоящему времени значительный успех достигнут в создании целого ряда устройств, в частности, кремниевых интерферометров [4].
В волноводном интерферометре Маха-Цендера активная часть интерференционной схемы чувствительна к изменению разности оптических длин плеч, например, в результате изменения эффективного показателя преломления, и может быть выполнена по принципу опорного и сигнального плеча или по дифференциальному принципу, когда внешнее воздействие вызывает изменение длин плеч с разным знаком [1]. Основным компонентом кремниевого интерферометра является фазовращатель, где приложенное к нему напряжение вызывает
изменение показателя преломления волноводного канала. В зависимости от выполняемой функции фазовращатель может встраиваться в одно или в оба плеча. При этом он определяет основные характеристики устройства, такие как глубина и полоса модуляции, потребляемая мощность, габариты и масса [4].
Структурная схема фазовращателя, выполненного на КНИ структуре, представлена на рис. 1. На высоколегированной рабочей области 1 кристаллического кремния и-типа с толщиной Но размещена в форме ребра высотой Н и шириной Ж область 4 поликристаллического кремния р-типа. Эти два элемента формируют гребенчатый оптический волновод с максимальной высотой Н = Но + Н, по которому оптический пучок распространяется вдоль оси г. Между компонентами 1 и 4 расположен затвор 3 из тонкого слоя окиси кремния. Рабочая область отделена от подложки толстым слоем
56
Sensors & Systems • № 7.2012
Рис. 1. Структурная схема фазовращателя
погруженного окисла 7. Окисные элементы 2 по обе стороны от ребра поддерживают горизонтальное оптическое ограничение и препятствуют проникновению оптического поля в металлические контактные площадки 5. Вертикальное оптическое ограничение обеспечивается погруженным окислом 7 и покрытием 6 из поликристаллического кремния.
В данной работе аналитически исследуется влияние топологических параметров фазовращателя на метрологические характеристики интерферометра, выполненного на структуре КНИ.
В рассматриваемой конструкции фазовый сдвиг Дф, возникающий в результате изменения эффективного показателя преломления ДЖ,фф волноводной моды, аппроксимируется выражением [4]:
Дф = 2п ХДЖэфф, (1)
где Ь — длина фазовращателя (в г-направлении), X — длина волны света. В общем случае эффективный показатель преломления волноводной моды является комплексным. Его действительная часть применяется для того, чтобы вычислить фазовый сдвиг, мнимая используется для моделирования оптических потерь интерферометра.
Изменение параметра ДЖ,фф возникает в результате накопления заряда с обеих сторон затворного окисла, которое происходит из-за подачи положительного напряжения и^ на фазовращатель. Изменение плотности заряда Д0е (для элек-
тронов), и ДОь (для дырок) связано с напряжением выражением:
ДО{е; к] = ^ № - ирв), (2)
где ео и еох — вакуумная диэлектрическая и низкочастотная диэлектрическая проницаемость окиси кремния, q — заряд электрона, — толщина окиси затвора, ? — эффективная толщина зарядового слоя, Црв — напряжение плоских зон КНИ структуры. Соотношение (2) не противоречит экспериментальным результатам работы [4]. В присутствии свободных зарядов оптические свойства кремниевого волновода модифицируются в результате дисперсионного эффекта, связанного со свободными плазмонами [5]. Из соотношений, приведенных в работе [5], вытекают эмпирические выражения, связывающие плотность свободных зарядов и действительную часть показателя преломления.
Для моделирования характеристик фазовращателя необходимо совместное решение, с одной стороны связанных уравнений Пуассона и непрерывности для электронов и дырок, которые управляют транспортом заряда в полупроводниковой части устройства, а с другой — уравнения Максвелла для гребенчатого волновода, описывающего
Основные электрические и оптические параметры для моделирования характеристик фазовращателя
Параметр
Длина волны света, мкм Температура, К Показатель преломления кремния
Показатель преломления поликремния
Показатель преломления окиси кремния
Базовый уровень легирования кремния, 1015, см-3 Подвижность электронов, см2
(В-с)-1
Подвижность дырок, см2 (В-с)-1
Напряжение плоских зон, В Толщина погруженного окисла, мкм
Значение
1,558 298 3,47
3,45
1,44
1
700
300
1,25 0,4
Рис. 2. Зависимость фазового сдвига от управляющего напряжения для разных устройств
распространение оптического пучка через него. Для моделирования электрических характеристик использовался пакет моделирования Silvaco [6], оптические характеристики вычислялись методом распространяющихся пучков (beam propagation method (BMP)), реализованным в коммерческой программе BeamPROP [7].
В таблице приведены основные электрические и оптические параметры для моделирования характеристик фазовращателя.
Для того чтобы проанализировать эффективность фазовой модуляции в зависимости от геометрии волновода промоделируем фазовый сдвиг как функцию напряжения питания для трех различных размерностей поперечного сечения волновода с одинаковой продольной длиной L = 2,5 мм. Образец 1 является экспериментально апробированным устройством, взятым из работы [4], размеры его волновода составляют: W = 2,5 мкм, H = 2,3 мкм, h = 0,9 мкм и tox = 12 нм. Размеры волновода образца 2: W = 1,0 мкм, H = 1,0 мкм, h = 0,6 мкм и tox = 12 нм, образца 3: W = 0,8 мкм, H = 0,8 мкм, h = 0,45 мкм и tox = 6 нм. Результаты моделирования приведены на рис. 2. Следует отметить, что по результатам моделирования волноводы являются одномодовыми с ТЕ-поля-ризацией. Как видно из рис. 2, масштабирование геометрии волновода значительно улучшает фазовый сдвиг для данной длины устройства и напряжения питания. Такой подход предоставляет дополнительную
возможность варьирования конструкцией системы в целом для выбора удобных напряжения питания и/или длины устройства для совместимости с выбранным приложением. На рис. 2 также приведены экспериментально измеренные значения фазового сдвига для образца 1, которые находятся в хорошем согласовании с результатами моделированиями.
Исследуем зависимость фазовой модуляции от толщины затвора ?ох. Из соотношения (2) следует, что с уменьшением напряжение питания нужно снижать пропорционально, чтобы получить то же самое изменение плотности заряда. Сокращение ий не только упрощает схему интерферометра, но также и уменьшает полное рассеяние мощности. Чтобы оценить влияние толщины окиси затвора на фазовую эффективность необходимо фиксировать изменение плотности индуцированного заряда. На рис. 3 приведены результаты моделирования параметра Хп (длины фазовращателя при Аф = п) как функции толщины затвора для образца 1. Значения = 12 нм и Ьй = 6 В были выбраны как отправная точка. При уменьшении толщины окиси затвора снижали напряжение питания, чтобы сохранить значения АОе и АО^ фиксированными. Например, когда = 6 нм, напряжение питания составляет Ьй = 3,25 В. В случае фиксированной плотности зарядов фазовая эффективность монотонно увеличивается с уменьшением толщины затвора.
С другой стороны, напряжение пробоя затвора снижается с уменьшением толщины окисла. Следовательно, напряжение питания не может превысить напряжение пробоя. Из экспериментальных данных следует, что при напряженности поля 1 В/нм фазовращатель функционирует в обычном режиме [4].
На рис. 3 также приведены результаты моделирования параметра Хп как функции толщины окиси затвора с фиксированной напряженностью электрического поля Е = 0,5 В/нм. В случае фиксированной напряженности электрического поля первоначально увеличивается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.