纳米光波导器件制造科学问题及关键技术研究

降低纳米光波导表面粗糙度，制造超低损耗纳米光波导，实现其高效片间光互连与片内光耦合，是集成光电子器件，特别是高灵敏探测器、生化传感器、光通讯等器件发展的关键，也是基础微腔物理、腔量子电动力学、量子光学、非线性效应研究的重要基础。本项目以集成纳米光波导惯性器件制造为牵引，研究纳米光波导表面自由能最低原理，提出且利用粗糙度为亚纳米量级的硅基纳米光波导表面H2退火抛光工艺，进而结合XeF2硅基衬底局部刻蚀悬空工艺，实现小于0.01 dB/cm超低损耗、Q参数优于10E6的CMOS硅基光波导环形谐振腔的制备；引入并优化垂直耦合光栅技术及加工工艺，实现芯片之间高效互联，最终实现纳米光波导陀螺优化结构并验证其陀螺效应，为研发新型MOEMS陀螺惯性器件打下基础。同时，项目还开展纳米制造过程中应力测试与控制等方面研究，研究实现超低损耗光波导、高Q值纳米光波导谐振腔的一体化集成制造方法。

低损耗高Q值Si基纳米光波导谐振腔，是高灵敏探测器、生物传感器、光通讯器件等发展的关键。本项目研究了SOI材料在纳米光波导器件制造过程中微米纳米跨尺度制造和亚纳米精度控制的科学问题。对光波导谐振腔进行了优化设计，通过理论分析与仿真模拟，建立了耦合间距与耦合系数、谐振深度的关系。研究了高能束法、高温热氧化法、硅氢键流密度法等方法的表面光滑化机理与工艺，获得了亚纳米精度的表面粗糙度，实现了超低损耗的CMOS硅基光波导环形谐振腔的制备，其Q值可达10^6。基于谐振腔搭建了陀螺效应验证系统，验证了陀螺效应，实测锁频精度达到30 kHz，零偏稳定性为39°/h，实现了陀螺系统模拟化集成和数字化集成，为研发新型MOEMS陀螺惯性器件打下了良好基础。本项目共发表论文83篇，其中SCI 32篇，EI 29篇。申请发明专利31件，其中已授权16项。出版译著1部。