硅基光波导激光表面光滑化仿真方法技术

本发明专利技术属于集成光学领域和材料表面工程领域，尤其涉及采用激光以降低波导侧壁粗糙度的方式降低硅光波导散射损耗的仿真模拟方法，具体为一种硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，解决了使用激光对硅基光波导做表面粗糙度处理过程中，凭经验设置工艺参数的不准确，成功率低等关键问题。该数值仿真方法可以重现任何工艺制作的波导侧壁产生的粗糙表面。根据还原的侧壁真实形貌，结合相变要求的熔深、时长数据，获得相应的激光能量密度、入射角、脉冲时长参数。为工艺过程提供了准确可靠的参数数据。本发明专利技术分析结果准确性、精度高，极大地缩短了工艺参数获得的周期，为光波导器件的大规模生产和自适应加工奠定了坚实的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成光学领域和材料表面工程领域，尤其涉及采用激光以降低波导侧壁粗糙度的方式降低硅基光波导散射损耗的仿真模拟方法，具体为一种硅基光波导激光表面光滑化仿真方法。
技术介绍
随着光通信技术的发展，光子器件和光子集成代替电子器件成为重要发展方向。鉴于硅成本低廉，加工工艺技术和集成电路技术发展已经相当成熟，同时在1.3-1.6um的光通信波段内，光吸收损耗非常低等优点，将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域，开展全硅(包括绝缘体上硅材料，SOI)光集成有源和无源器件已经成为一个重要的发展趋势。采用现有光刻技术制作的硅波导的结构如图1所示，硅波导包括两棱柱和棱柱之间的凹槽，光刻技术制作的硅波导不可避免地在波导棱柱侧壁留下了较大的表面粗糙度，同时由于光刻过程的不稳定，波导棱柱侧壁粗糙度值的大小带有一定随机性。相关研究表明，粗糙侧壁引起的散射损耗是光波导损耗的主要部分。采用相应的技术降低波导侧壁粗糙度，从而降低散射损耗成为光波导器件从实验室走向生产线的关键技术，其中使用高能束激光，利用激光的热效应加热波导侧壁至熔化再凝固技术成为硅波导表面处理的重要研究方向。利用激光做硅波导侧壁粗糙度处理的技术发展情况如下：目前，由于硅波导结构微小，利用激光做硅波导侧壁粗糙度处理的实验条件较苛刻，这一技术仅停留在实验室阶段。利用激光做硅波导侧壁粗糙度处理的仿真仅停留在温度场的分析上，没有涉及这一过程的全过程仿真。现有技术存在的缺陷主要包括以下三个方面：(1)无法确定激光束的精确参数。广泛采用的光刻技术加工的硅波导，由于光的衍射和掩膜版自有的粗糙侧边，制作的硅波导不可避免地留下了粗糙的侧壁，激光参数的选择主要依靠经验，实验效果不佳，成功率低。(2)无法调控激光束参数。由于光刻过程的不稳定性，使得粗糙度的分布带有随机性。仅对温度场的仿真无法根据表面粗糙度的变化对激光参数进行精确调控。(3)缺乏针对硅基光波导激光表面光滑化这个整个物理过程的仿真模拟系统。目前的仿真仅停留在对温度场的分析中，难于指导实验和生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种硅基光波导激光表面光滑化仿真方法。本专利技术是采用如下的技术方案实现的：硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，包括以下步骤：第一步：确定激光照射下，硅基光波导的热源分布，分析硅基光波导与环境之间的热交换，用于设定边界条件；第二步：分析在激光照射下，硅基光波导在升温过程中的物理机理并进行简化，在有限元分析方法中根据简化的物理机理将实际硅基光波导棱柱三维结构建立成硅基光波导棱柱二维模型；第三步：设置硅基光波导的材料对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数，设置热源激光照射角度、激光平均能量密度和激光脉冲时长，以及对流传输系数，将设置的激光参数作为边界条件施加在硅基光波导棱柱二维模型上，然后利用二维热传导方程在有限元软件中对激光照射下的硅基光波导进行瞬态温度场分析，得出硅基光波导在激光作用下的各区域温度随时间变化的数据，为分析硅基光波导的相变熔化区流体流动情况奠定基础；第四步：温度场获得的各区域温度随时间变化的数据用于在硅基光波导棱柱二维模型上得到区分硅基光波导受热熔化区域和未熔化区域的等温线，然后根据真实硅基光波导制造后留下的粗糙侧壁数据，在有限元分析方法中重构侧壁粗糙表面；第五步：采用间接法，在流场中使用温度场获得的等温线数据控制重构的侧壁粗糙表面受热后的熔化区域和未熔化区域，采用不可压缩流体条件下的纳维-斯托克斯方程在有限元软件中计算熔化区域的流体流动，获得流体流动特性；第六步：根据流体流动特性，通过有限元分析方法求解计算，得到硅基光波导受热熔化凝固后的表面图，表面图用于检验激光参数的设定是否合理，若表面图粗糙度低可直接指导实际加工，若表面图粗糙度高，需要重新调整激光参数。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，硅基光波导的对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数均设置为温度的函数。考虑到物理过程涉及硅材料的吸热升温、熔化相变、液体硅流动、凝固相变过程，因此材料参数均设为温度的函数。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，真实硅基光波导制造后留下的粗糙侧壁数据的测量使用原子力显微镜(AFM)或者扫描隧道显微镜(STM)进行测量。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，硅基光波导热源包括棱柱上表面照射激光和棱柱侧壁照射激光，热源的设置采用以下公式：I*cos(θi)*g(t)*Ttop*ftop(x,y)*A0(T)*exp(A0(T)*cos(θt)，式中：I为激光平均能量密度，单位为J/cm^2；θi为激光的照射角度，单位为度；θt为激光的折射角度，单位为度；g(t)为高斯分布函数；Ttop为强吸收条件下的菲涅耳热产生函数；ftop(x,y)为与模型相关的能量分布函数；A0(T)为硅的吸收系数，单位为1/cm；exp(A0(T)*cos(θt)为倏逝场的指数衰减项。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，温度场的瞬态分析，使用二维热传导方程进行计算，基本方程如下：ρCp∂T∂t+ρCpu→1·▿T+▿q→=Q+q0+Qted]]>q→=k▿T]]>式中：ρ为材料密度，单位Kg/m3；Cp为常压热容，单位J/(Kg·K)；T为材料的温度，单位K；为对流速度场的张量写法；为热流强度，单位W/m2；k为热传导系数，单位W/(㎡·K)；Q为外部热源，单位J；q0为瞬态热源，单位J；Qted为辐射传热项，单位J。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，相变熔化过程采用热焓分析法，热焓分析法等效热容如下：热焓法对硅材料比热容的修正公式为：Cp'＝Cp_a+δ△H，式中：Cp’为发生相变过程中的等效热容，单位J/(Kg·K)；Cp_a为相变前的材料热容值，单位J/(Kg·K)；δ为热焓法热容修正系数，单位1/K；ΔH为硅材料熔化潜热，单位J/g；T为波导材料各区域瞬时温度，单位K,Tm为硅的熔点温度，单位K,ΔT为硅的相变半径，单位K。上述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，流体的计算采用不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程：ρ∂u→∂t+ρ(u→·▿)u→=▿&CenterDo本文档来自技高网...

【技术保护点】
硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：确定激光照射下，硅基光波导的热源分布，分析硅基光波导与环境之间的热交换，用于设定边界条件；第二步：分析在激光照射下，硅基光波导在升温过程中的物理机理并进行简化，在有限元分析方法中根据简化的物理机理将实际硅基光波导棱柱三维结构建立成硅基光波导棱柱二维模型；第三步：设置硅基光波导的材料对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数，设置热源激光照射角度、激光平均能量密度和激光脉冲时长，以及对流传输系数，将设置的激光参数作为边界条件施加在硅基光波导棱柱二维模型上，然后根据热传导理论，利用有限元分析方法对激光照射下的硅基光波导进行瞬态温度场分析，得出硅基光波导在激光作用下的各区域温度随时间变化的数据，为分析硅基光波导的相变熔化区流体流动情况奠定基础；第四步：温度场获得的各区域温度随时间变化的数据用于在硅基光波导棱柱二维模型上得到区分硅基光波导受热熔化区域和未熔化区域的等温线，然后根据真实硅基光波导制造后留下的粗糙侧壁数据，在有限元分析方法中重构侧壁粗糙表面；第五步：采用间接法，在流场中使用温度场获得的等温线数据控制重构的侧壁粗糙表面受热后的熔化区域和未熔化区域，采用不可压缩流体条件下的纳维‑斯托克斯方程在有限元软件中计算熔化区域的流体流动，获得流体流动特性；第六步：根据流体流动特性，通过有限元分析方法求解计算，得到硅基光波导受热熔化凝固后的表面图，表面图用于检验激光参数的设定是否合理，若表面图粗糙度低可直接指导实际加工，若表面图粗糙度高，需要重新调整激光参数。...

【技术特征摘要】
1.硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：确定激光照射下，硅基光波导的热源分布，分析硅基光波导与环境之间的热交
换，用于设定边界条件；
第二步：分析在激光照射下，硅基光波导在升温过程中的物理机理并进行简化，在有限
元分析方法中根据简化的物理机理将实际硅基光波导棱柱三维结构建立成硅基光波导棱
柱二维模型；
第三步：设置硅基光波导的材料对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数，
设置热源激光照射角度、激光平均能量密度和激光脉冲时长，以及对流传输系数，将设置的
激光参数作为边界条件施加在硅基光波导棱柱二维模型上，然后根据热传导理论，利用有
限元分析方法对激光照射下的硅基光波导进行瞬态温度场分析，得出硅基光波导在激光作
用下的各区域温度随时间变化的数据，为分析硅基光波导的相变熔化区流体流动情况奠定
基础；
第四步：温度场获得的各区域温度随时间变化的数据用于在硅基光波导棱柱二维模型
上得到区分硅基光波导受热熔化区域和未熔化区域的等温线，然后根据真实硅基光波导制
造后留下的粗糙侧壁数据，在有限元分析方法中重构侧壁粗糙表面；
第五步：采用间接法，在流场中使用温度场获得的等温线数据控制重构的侧壁粗糙表
面受热后的熔化区域和未熔化区域，采用不可压缩流体条件下的纳维-斯托克斯方程在有
限元软件中计算熔化区域的流体流动，获得流体流动特性；
第六步：根据流体流动特性，通过有限元分析方法求解计算，得到硅基光波导受热熔化
凝固后的表面图，表面图用于检验激光参数的设定是否合理，若表面图粗糙度低可直接指
导实际加工，若表面图粗糙度高，需要重新调整激光参数。
2.根据权利要求1所述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于硅基光波
导的对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数均设置为温度的函数。
3.根据权利要求1或2所述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于真实硅
基光波导制造后留下的粗糙侧壁数据的测量使用原子力显微镜或者扫描隧道显微镜进行
测量。
4.根据权利要求1或2所述的硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于硅基光
波导热源包括棱柱上表面照射激光和棱柱侧壁照射激光，热源的设置采用以下公式：
I*cos(θi)*g(t)*Ttop*ftop(x,y)*A0(T)*exp(A0(T)*cos(θt)，式中：I为激光平均能
量密度，单位为J/cm2；θi为激光的照射角度，单位为度；θt为激光的折射角度，单位为度；g
(t)为高斯分布函数；Ttop为强吸收条件下的菲涅耳热产生函数；ftop(x,y)为与模型相关
的能量分布函数；A0(T)为硅的吸收系数，单位为1/cm；exp(A0(T)*cos(θt)为倏逝场的指数
衰减项。
5.根据权利要求1或2所述的硅基光波导激光表面光滑化仿...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫树斌，张文栋，张志东，薛晨阳，崔建功，陈慧斌，骆亮，苏莹，王瑞兵，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14