用于光子芯片的硫系玻璃薄膜制备与光敏机理研究

硫系玻璃具有卓越的非线性和光敏性，已成为全光网络关键器件的理想基质材料。已报道的硫系薄膜存在着组分和制备工艺单一、薄膜易龟裂及光敏机理不全面等问题。本项目拟采用磁控溅射沉积技术制备硫系薄膜。研究内容包括：玻璃组分优化设计，薄膜制备和性能表征，界面结合强度和力学性能调控，薄膜光敏机理研究。旨在获得非线性和成膜特性两者完美结合的系列玻璃组分及相应的薄膜制备技术，并在理论上完善硫系玻璃的光敏机理。研究的特点和意义体现在：提出环境友好型、不含As的硫系玻璃组分；自主制备大尺寸均匀的硫系靶材，实现薄膜的性能可调；研究薄膜对低带隙能量的激光辐照的反应，完善光敏机理。本项目的实施为开发具有自主知识产权的光器件提供依据，也为硫系薄膜在高容相变存储器和高效太阳能薄膜等方面应用提供技术支撑，对满足我国信息产业现代化和社会经济发展对新材料需求具有重要的意义。

硫系玻璃具有卓越的非线性和光敏性，已成为全光网络非线性光器件的理想基质材料。但现有的硫系薄膜存在着组分和制备工艺单一、薄膜易龟裂及光敏机理不全面等问题。本项目以Ge-Sb-Se体系材料为研究目标，设计并测试了Ge-Sb-Se块状玻璃材料的弹性模量、光学带隙和折射率与MCN之间的关系曲线，确定了MCN在2.4和2.6附近存在着相变阈值，利用微观拉曼结构分析了其阈值存在的合理性：MCN<2.4时材料中富含Se（出现Se环或Se链在256cm-1的拉曼峰），MCN在2.4与2.6之间材料组分接近满足化学计量比，当MCN大于2.6时对应着Ge-Ge和Sb-Sb同质键的产生（出现着150cm-1和175cm-1的拉曼峰）。分别通过热蒸发和磁控溅射镀制薄膜，研究不同制备工艺以及热处理前后薄膜材质的致密性和结构的缺陷的影响。用Z-Scan法测试了Ge-Sb-Se体系的硫系薄膜，获得超高三阶非线性系数，其数量级达到了10-15m2/W以上，从微观薄膜材料的缺陷造成局域态带隙分析了其高非线性的原因。首次测试报道了Ge-Sb-Se的超快非线性响应为66fs，优化的Ge-Sb- Se薄膜是一种超快非线性集成器件的理想基质材料。解决了优化设计后的Ge20Sb15Se65硫系薄膜沉积的工艺问题，并测试了其在近红外区域的材料色散，设计了脊型光波导结构，与澳大利亚国立大学激光物理中心合作，利用光刻+ICP干刻技术，刻蚀获得了脊宽为1-4微米的Ge20Sb15Se65硫系光波导，研制的光波导具有极低的光传输损耗0.41dB/cm (TE)和0.45dB/cm (TM)。本项目的实施也为开发具有自主知识产权的硫系光波导集成光器件或传感器提供了依据，也为硫系薄膜在高容相变存储器薄膜等方面应用提供技术支撑，对满足我国信息产业现代化和社会经济发展对新材料需求具有重要的意义。