硅基光波导1
硅基光波导压力传感器
摘
要 ：硅 基 光波 导压 力传 感 器 由于具 有灵 敏 度高 、 耐高 温 、 电磁 场 干扰 能力 强 、 型等 优点 ， 抗 微 特别 适 合
ｕ ｄ ｎ ｎ ｉ ｓ ｎ ｎ ｅ ｅ ｔ ｇ ｏ ｔ ａ ｖ ｇ ｉ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｒ ｒ ｒｅ ｙ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ． ｉ ｅ ａ ｄ ａ ｔ ｅ ｏ ａ ｔｒ ｆｃ ｉ ｐ ｉ ｌｗａ ｅ ｕ ｄ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｂ ｆ ｒ ｄ ｃ ｒ ｌ ｎ ｃ ｉ ｌ ｎ ｄ
维普资讯
４
传 感器 技 术 （ｏ ｒ ａ ｏ ａｓ ｕｅ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｊｕｎ ｌ ｆ ｎｄ ｃｒ Ｔｒ Ｔｅｈ ｏｏ ） ｇ
２０ ０ ２年 第 ２ 卷 第 ８期 １
硅 基 光 波 导 压 力 传 感 器
肖素 艳 ，王 东红 ，高 明 ，刘 晓 为
Ｓｉｂａ ｅ ｐ ｉ ａ ａ ｅ ｕｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏｒ － ｓ ｄ ｏ ｔ ｃ ｌｗ ｖ ｇ ｄｅ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎｓ
ＸＩ ＡＯ ｕ ｙ ｎ ，Ｗ ＡＮ Ｇ ｎ — ｏ ｇ ，ＧＡＯ ｉｇ ，ＬＩ Ｘｉｏ ｗｅ Ｓ —ａ Ｄｏ ｇ ｈ ｎ Ｍ ｎ￣ Ｕ ａ － ｉ
１ 硅 基 光 波 导 压 力传 感 器 的 结 构 特 点
随 着 硅 微 机 械 技 术 以及 光 电子 和 微 电子 结 合 的
日臻 完 善 和成 熟 ， 光 学 领 域 产 生 了一 场 伟 大 革 命 ， 在
导 致 了微 光 机 电 系 统 ＭＯＥ ＭＳ（ ｃｏｏ ｔｅｅ ｔ ｎｃ ｍｉ ｐｏ ｌ ｒ ｉ ｒ ｃｏ
硅波导传输损耗
硅波导传输：如何降低损耗？
硅波导技术是一种光电子集成技术，广泛应用于高速通信、传感
器等领域。
但是硅波导在传输过程中会导致一定的损耗，如何降低损耗，是一个亟待解决的问题。
首先，要减小硅波导的材料损耗。
硅的吸收波长在1.1um左右，
超出这个范围的波长会被硅波导本身吸收，导致电磁波的能量丧失。
因此，选择恰当的工作波长，避开硅的吸收波长，可以有效降低材料
损耗。
其次，要优化光波导结构。
如采用高品质的硅材料，利用布拉格
反射镜等新型结构，可以降低硅波导的损耗；采用光子晶体结构优化
波导，可使电磁波在波导内部有多个反射，从而增大波导内的光程，
有利于减小损耗。
第三，要加强硅波导器件本身的制备工艺。
精准的光刻和干法刻
蚀技术、高品质的氧化物层等，可以保证硅波导器件的精度和可靠性，从而减小损耗。
最后，要注意硅波导系统的整体设计。
如最小化硅波导系统中接
头的数量和质量，避免过长的硅波导跨越，选择合适的耦合器件等，
都可以起到降低损耗的作用。
总的来说，降低硅波导传输损耗需要多个方面的共同努力，从材料、结构、工艺和系统设计等多个方面同步发力，才能更好的解决硅波导传输损耗问题。
硅基光波导光学相控阵多光束形成方法
硅基光波导光学相控阵多光束形成方法一、引言硅基光波导光学相控阵多光束形成是一种基于硅基光波导的光学器件，可以通过控制相位和幅度来实现对多个光束的形成和调节。
这种技术在激光加工、信息处理等领域有着广泛的应用前景。
本文将介绍硅基光波导光学相控阵多光束形成方法。
二、硅基光波导硅基光波导是一种利用硅材料制造的微型结构，可以将电磁波引导到器件内部，并在其表面上进行反射、透射和干涉等操作。
硅基光波导具有体积小、传输损耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于通信、传感和计算等领域。
三、相控阵原理相控阵是指通过对每个发射元件施加不同的相位来实现对辐射方向和强度的调节。
在硅基光波导中，可以通过改变输入端口处的电压信号来调节每个发射元件的相位差，从而实现对多个发射元件的调节。
四、多光束形成方法1. 设计硅基光波导器件首先需要根据所需的多光束形成模式，设计出相应的硅基光波导器件。
这个过程需要考虑到器件的尺寸、形状、材料等因素，并结合相控阵原理进行优化。
2. 制备硅基光波导芯片制备硅基光波导芯片需要采用微纳加工技术，通过电子束曝光、干蚀刻等步骤将设计好的硅基光波导结构制造在芯片表面上。
3. 安装和测试芯片制备好的硅基光波导芯片需要进行安装和测试，包括连接输入输出端口、调节电压信号等步骤。
通过测试可以获得器件的性能参数，如传输损耗、相位调节范围等。
4. 实现多光束形成在测试好的硅基光波导器件上，可以通过改变每个发射元件处的电压信号来实现对多个发射元件的相位差调节。
通过优化电压信号和相位差之间的关系，可以实现所需的多光束形成模式。
五、总结硅基光波导光学相控阵多光束形成是一种基于硅基光波导的光学器件，可以通过控制相位和幅度来实现对多个光束的形成和调节。
本文介绍了硅基光波导的原理、相控阵原理以及多光束形成方法。
该技术在激光加工、信息处理等领域有着广泛的应用前景。
SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究光电信息学院赵正松2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进展。
引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。
在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。
在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。
硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。
本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
美研制硅波导可隔离光信号利于研发光子芯片
半导体大厂仍有不小差距 。 （ 自中国半导体产业 来
网）
出新一 代嵌 入式 Ｍ Ｃ卡 （ Ｍ Ｃ）和 固态 硬 盘 Ｍ ｅＭ
瑞 萨与奥克斯 宣布建 立联 合实验室
近 １， ３ 在南昌奥克斯生产基地 ， 瑞萨与奥克斯宣 布建立联合实验室。这预示着瑞萨国际领先的芯片 技术将全方位应用于奥克斯空调产品，奥克斯在 国
近 日， 中兴通讯宣布其统一平台密码库和 Ｕ Ｐ Ｅ 密码模块成功通过 ａ ｅ 信息安全公司的测试 ， ｔｃ ｓ 并获 得根据 ＦＰ １０ ２ 准的 Ｃ Ｖ ＩＳ４ — 标 Ｍ Ｐ密码模 块验 证体
电池 ，从周围环境获取 的微量能量就已足够维持运 行。研究人员称 ， 该技术有望在植入式医疗设备、 浮 标和环境检测等领域发挥重要作用。相关论文发表 在美 国《 应用物理快报 》 杂志上 。 这种 电路使用 了一种被称为 “ 多铁性材料” 的
这种 电路 所 需 的能量 极少 ，甚 至没 有必 要为 其安 装
变频空调 的技术领先地位 ，并且将把国产空调 的变 频技术推进到新的发展阶段。合作双方将从市场获 利， 而最重要的是 ， 消费者也将最终从双方技术合作 中受益。”（ 自Ｃ Ｉ 来 Ｓ Ａ）
中兴通 讯通 过美国 …Ｓ Ｔ安全认证
公 司在亚 洲 等新 兴 市场 的全 球 技术 领 先 地位 。 （ 来
自西 格里 集 团 ）
（ Ｓ 产 品 ， 补 了本 土 品牌在 嵌 入 式存 储 器 领域 Ｓ Ｄ） 填
的空白， 打破了海外厂商在这一市场的垄断。为国内 智能手机和平板电脑的发展提供 了技术基础和保证。
嵌入式存储器是指固化在电子产品内部的储存
硅基光波导开关技术综述
硅基光波导开关技术综述涂鑫;陈震旻;付红岩【摘要】硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍,并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结;然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术,特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面;最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望,其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)010【总页数】15页(P1-15)【关键词】光开关;硅光子学;光互连;光子集成【作者】涂鑫;陈震旻;付红岩【作者单位】清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055【正文语种】中文1 引言近年来,互联网通信数据容量每年以50%—60%的速度迅速增长,人们对带宽的需求越来越大.运营商在电信长途骨干网和城域网建设中遇到了电交换的瓶颈：电交换设备单机容量达到上限；5G网络的回传时延指标对交换节点的性能提出了更严格的要求；网络节点的电交换设备功耗高达万瓦,耗电量接近了许可极限,耗电量的80%源自光电/电光转换和电交换开关.因此光交换技术的优势日益凸显,基于波长选择开关(wavelengthselective switch,WSS)和自由空间微电子机械系统(micro-electromechanical system,MEMS)的光开关技术已被部署用于关键网络节点的可重构光分插复用(reconfigurable optical add-drop multiplexer,ROADM)设备中,实现了波长和端口通道毫秒量级的数据链路切换时间[1-3].在短距数据中心网络中,经常需要根据动态需求进行网络重构.目前,数据中心网络中的重配置主要是由高速电交换开关来完成：输入光信号被转换成电信号,在电域完成交换之后再被转换回光信号输出.尽管电学信号的放大、整形和同步技术成熟,但是光/电/光(O/E/O)转换通常需要光收发器,即用于光/电转换的接收机和用于电/光转换的发射机,这给交换系统带来极大的转换功耗.同时,由于电交换与光波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)不兼容,每条光链路都要通过复用器、解复用器以及多路O/E/O的转换,这就增加了交换节点的数据链路重构的复杂性和硬件成本.光交换与电交换相比,无需进行O/E/O转换,且对数据比特率、信号格式和协议是透明的,具有更低的功耗和硬件成本优势.虽然光开关的速度(从纳秒到毫秒取决于不同技术方案)仍然比电开关的速度慢(亚纳秒),但是它可以处理通信中缓慢变化的数据部分(例如数据流和长分组数据包),同时指定电交换来处理通信中的突发数据部分(例如短分组数据包),并各自发挥自身优势,有望成为未来数据中心网络最具潜力的交换技术[4].此外,随着云计算的出现、物联网的发展以及人工智能的兴起,具有高带宽和大数据传输容量的动态数据交换技术将广泛地用于高性能的数据密集型计算中,服务于健康信息学、网络安全、市场营销、金融和国防等领域[5].这类应用场景要求开关芯片可实时处理大量具有随机性和探索性的数据,实现对频繁的短消息纳秒量级的快速交换.然而在过去二十年内,集成电路芯片中的带宽快速增长受到了管脚密度和金属引线等电子瓶颈.芯片功耗正以每三年翻倍的速率增长,并持续趋近电子器件的功耗所能够承受的温度极限,大部分能耗集中在主板的电信号传输线和O/E/O转换过程.因此,采用新的微处理器架构和光交换技术有望显著改善片上互连的带宽和时延特性.未来百亿亿次浮点运算要求功耗降低到pJ/b量级,成本控制在¢/Gb/s量级[6],采用传统的电信号交换技术将无法满足,光信号交换将为解决该通信需求提供新的途径与方案.由此可见,无论是数千公里的电信网络交换还是几厘米的计算机核间并行计算,都需要光开关技术来实现特定数据流配置的业务模式.近些年几种典型的光开关被广泛地研究,包括MEMS[7]、硅上液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)[8]、铌酸锂波导[9]、III-V族半导体光放大器[10]、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[11]和微环谐振器(micro-ring resonator,MRR)[12].与铌酸锂、III-V族平面波导回路芯片和MEMS平台相比,基于绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)平台的硅基光电集成芯片具有以下优势：1)体积只有传统二氧化硅器件的1/1000,器件密度高；2)能够与III-V族有源光器件和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)电路实现单片集成；3)加工工艺与先进微电子技术共享成熟的CMOS技术制造平台,波导侧壁粗糙度可控制在纳米量级以内；4)可以采用12英寸SOI晶圆量产,器件成本可降低到IIIV族器件的1/3以下[13]；5)热光效应和等离子体色散等非线性效应强,驱动功耗低；6)硅材料在通信波段透明且响应速率快,极高带宽、超快传输与调制速率；7)与电子器件相比,硅光器件采用近红外光信号传输数据,不受电磁波干扰,具有高抗干扰性和高可靠性.此外,与传统的基于单一工艺和单一材料的光学器件相比,硅基光电集成芯片的材料与工艺的多元化特点决定了它的丰富功能,不仅实现了光开关集成回路(包括波导、相移器、探测器和模斑耦合器等),还实现了电子集成回路(晶体管和电容、放大电路等),从而节约了单个元器件的封装成本.本文首先回顾近年来硅基光波导开关的发展现状,对不同原理和结构的硅基光波导开关的特点进行分析和总结,包括MZI型、MRR型和MEMS驱动波导型.随后介绍自己最新的研究成果,分析影响开关矩阵性能的关键技术.最后,对硅基光波导开关技术研究的技术挑战进行分析,并提出了硅基光波导开关技术未来的潜在研究方向.2 硅基光波导开关引擎2.1 MZI型MZI型光开关单元是最简单的大宽带干涉型开关引擎.由于其不受信道间隔和网格配置的限制,非常适用于WDM系统中的多波长复用光链路的空间端口切换场景.典型的MZI型2×2光开关单元如图1(a)所示,由两个50：50的分束器和两个长度相同的波导组成,并在其中一臂上制作电极,利用硅的热光效应或者注入载流子产生的等离子色散效应,改变一臂的波导折射率,形成相移器.当两臂光信号的相位差达到0或π,输出端口的光信号发生相干相长或相干相消,实现光信号切换.热光波导开关可以实现亚微秒至毫秒量级的端口切换,适用于大型数据中心间互联(Data Center Interconnection,DCI).由于硅在室温下具有较高的热光系数=1.86×10¯4/K[14],因此硅波导热光开关比二氧化硅热光开关具有更高的效率.热光相移器的相移Δφ 可以表示为图1 (a)MZI型2×2光开关单元结构示意图.硅基波导开关相移器的横截面图(b)金属薄膜热电极热光相移器；(c)掺杂波导热光相移器；(d)空气隔离层的热光相移器；(e)注入载流子型电光相移器Fig.1.(a)Schematic of 2×2 MZI switch cell.Cross-sections of waveguide phase shifters：(b)Thermo-optic phase shifter using a metal heater；(c)thermo-optic phase shifter using a doped resistiveheater；(d)suspended thermo-optic phase shifter using a metal heater (e)carrier injection phase shifter.其中λ 是波长,ΔT 是相移器上热调谐的温度改变量,L是相移器的长度.热电极通常有两种结构[15],一种是位于硅波导上方的金属薄膜热电极(TiN,Pt,W等),如图1(b)所示.注入的电流产生的焦耳热通过波导的包覆层二氧化硅传递给硅波导,并改变其温度和折射率.这种金属薄膜热电极的热效率受到包覆层热导率和热电极与波导的间距的限制,开关功耗通常在毫瓦量级.另一种是在脊型波导的中心进行轻掺杂,两侧部分刻蚀平台区重掺杂,形成欧姆接触电阻,如图1(c)所示.这种热电极,由于直接与硅波导的光信号模场中心重合,具备更快的时间响应特性和更高的热效率,但掺杂材料对光信号会产生吸收,因此损耗更高.由于硅光集成芯片能耗大部分来自于热光相移器,降低热调谐功耗能够提升器件密度,一种有效的手段是在热电极附近通过各向同性硅刻蚀工艺引入空气隔离槽,如图1(d)所示,使加热的波导臂悬空,降低硅波导向四周的热耗散.然而,空气隔离槽提升加热效率的同时延长了热光相移器的时间响应常数.因此需要器件结构优化设计,获得开关时间与功耗之间的平衡.与热光波导开关不同的是,电光型波导开关可以实现纳秒量级的端口切换,适用于数据中心内网络(Data Center Network,DCN)交换和微处理器片上的互连.注入载流子型相移器是正向偏置的PIN结二极管,如图1(e)所示.根据等离子色散效应[16,17],硅的折射率变化可以写成其中ΔN 和ΔP 是电子和空穴的载流子浓度变化量.同时,载流子浓度的改变也影响硅的吸收系数,即其中Δα 是系数的改变量,由(2)式和(3)式可以看出,当ΔN 和ΔP 增大(即正向偏置)时硅波导的折射率会降低,同时注入的载流子引起吸收系数的增大,导致光功率的损耗变大,从而MZI的两臂光信号损耗不相同,引起串扰的恶化.另一方面,由于硅的热光效应,正向偏置产生的热效应会增加硅波导的折射率,与注入载流子引起的折射率变化趋势相反,因此降低调制效率.为了改善此问题,人们提出采用推拉的双臂驱动设计[18,19]：即将两臂的初始相位差设置成π/2,在两臂上分别通过注入载流子的方式产生附加的±π/2 的相位差,从而实现光信号端口切换所需的0或π 的相位差.与传统的单臂驱动设计相比,双臂驱动的两臂上施加的驱动电流更小,引入的损耗和串扰更低.此外,PIN结二极管还常与热光相移器集成,用于补偿工艺容差带来的相位差,而不引入额外的损耗.表1中列举了典型的MZI光开关研究现状.为了降低功耗,Fang等[20]采用隔离槽技术使得热光开关的功耗分别降低至0.5 mW,开关速度达到0.3 ms；Dong等[21]采用4 mm长的螺旋波导相移器有效降低了偏置电流,注入载流子开关功耗仅0.6 mW；Lu等[22]采用折叠波导相移器增加了热电极与波导的接触长度,热光开关功率低值50 μW.为了扩大光学带宽,Watts等[23]和Chen等[24]分别提出绝热耦合器和弯曲耦合器,使光学带宽超过100 nm.为了降低串扰,Suzuki等[25]提出采用可调谐3 dB耦合器去动态弥补另一个3 dB耦合器的加工误差,从而获得—50 dB的超低串扰；Dupuis等[26]报道了一种一臂内嵌MZI相移器,另一臂集成可调衰减器的光开关,这种结构通过内嵌MZI和可调衰减器的损耗平衡,在保持两臂损耗相同的前提下实现相位从0到π 的调谐,从而实现了—34.5 dB的串扰.在我们最新的工作中[26],在IME的220 nm×500 nm SOI硅波导的平台上,采用标准的TiN热电极相移器,通过对多次折叠波导和空气隔离槽结构的优化,实现了两种情况下的热光硅波导开关单元：1)引入空气隔离槽层：开关时间1.34 ms,开关功耗0.5 mW；2)无空气隔离槽层：开关时间70 μs,开关功耗10 mW.2.2 MRR型与MZI型光开关不同,MRR型光开关单元是具有波长选择性的谐振型开关引擎[28],其谐振波长与谐振腔的尺寸关系如下：其中R是谐振器半径,neff是模式的有效折射率,m是模式的阶数,λ是谐振波长.由于谐振特性可以增强相位,它具有更低的功耗和更小的体积,受到大家的关注.典型的MRR型2×2光开关单元如图2(a)所示,由输入—直通波导、上载—下载波导和可调谐的微环组成.当WDM系统中的信道间隔和网格配置与微环谐振器的自由光谱程相和谐振频率适配时,波长交换可以通过热光效应或者等离子体色散的电光效应调谐MRR的相移器进行实现.如图2(b)所示,当输入光信号的波长λ2落入微环的谐振波长时,可以从下载端口输出；同时非谐振光信号波长λ1和上载端口输入的相同波长λ2’的光信号从直通端口输出,实现波长交换.尽管微环谐振器型光开关功耗低、体积小,但是实际应用中需要克服两个主要技术障碍：第一,单个微环的滤波谱线呈现洛伦兹线性,限制了光信号带宽和信道间串扰；第二,微环的谐振波长对芯片环境和加工误差非常敏感,实时锁定谐振波长,不受温度和激光器波长漂移是实际应用的关键保障.表2总结了近年来MRR型光开关单元的代表成果.为了增大带宽,级联微环的结构常常用来整形滤波谱线,实现近似矩形的两边陡直中间平顶的滤波窗口[29-33]和宽带无中断的调谐[34].近期,Lu等[35]提出了一种MRR与MZI相结合的结构,上臂耦合的MRR工作在波长λ1,下臂耦合的MRR工作在波长λ2.当调谐其中一个MRR的波长到(λ1+λ2)/2时,两臂产生π的相位差,开关状态发生改变.这种结构结合了MRR的共振增强和MZI的双光束干涉原理,具有更小的功耗.常用的稳定谐振波长方法包括被动型和主动型两类.被动型采用负热光系数的材料(例如聚合物[36,37],TiO2[38,39])与硅波导相结合,降低材料对环境温度的热敏感性.主动型则是将硅基波导上各种形式的光探测器与反馈算法相结合,实施调节微环的谐振波长以确保开关输出光强最大[40,41].随着片上光系统的扩容和模分复用的广泛研究,基于MRR的模式光开关技术也被提出,采用多模波导和模式转换实现不同阶数的模式之间的交换,进一步增加了片上光交换系统的容量[42-44].表1 业界MZI型硅基波导光开关的代表成果Table parison table of MZI optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构相移器类型相移器长/μm 开关时间功耗/mW损耗/dB串扰/dB[18]2015IBM电光PIN2504 ns11—23 [19]2013CAS电光PIN400——31 [20]2011IME热光TiN1000144 μs0.490.3—23 [21]2010Kotura电光PIN40006 ns0.63.2—16 [22]2015UBC热光TiN4270780 μs0.053.3—26 [23]2013MIT热光掺杂硅～102.4 μs12.70.5—20 [24]2016ZJU热光TiN20——20 [25]2014AIST热光TiN～15010 μs300.5—50 [26]2016IBM电光PIN2504 ns—2—34.5 [27]2016Huawei热光TiN2501340/70 μs0.5/100.5—22图2 (a)MZI型光开关单元结构图示意图；(b)波长开关路径Fig.2.(a)Schematic ofa MRR switch cell；(b)switching paths.2.3 MEMS驱动波导型无论是MZI型还是MRR型光开关,都是基于光波导中光强的干涉与谐振原理实现信号传播路径改变,因此相位对工艺容差和环境的敏感性限制了单级开关的串扰和损耗,从而影响开关矩阵的规模.近期,一类新型的基于硅光子平台的静电MEMS驱动波导型光开关被广泛研究,相关代表成果如表3所示.Seok等[45]提出的在双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,通过静电调节两层波导形成的平行平板驱动器之间的垂直间隙来切换光信号.由于光信号总是在底层波导中传播,除非需要切换到其他路径,因此光信号重定向的功能与光开关节点处的直通传输的功能解耦,损耗和串扰不会在交换结构中积累.此外,上层波导和底层之间添加的止动部件实现了数字型驱动,简化了控制并实现了相当低的光学串扰.该器件在42 V的驱动电压下具有0.91 μs的切换时间和超过300 nm的带宽和—60dB的串扰.Abe等[46]和Takahashi等[47]采用水平梳齿驱动器实现了驱动电压更低、微秒量级切换速度的可动方向耦合器[46]与微环谐振器[47],是一种新型低串扰的波长选择性光开关.近期,Briere等[48]在硅基旋转型梳齿驱动器平台上集成低传输损耗的氮化硅波导,通过端面耦合实现了低于—40 dB串扰的1×N光开关.由于该器件采用端面对接耦合,具有超宽带的特性.然而缺点是由于可移动部件的质量很大,响应时间较慢(约300 μs),而且驱动电压高达约118 V.表2 业界MRR型开关的代表成果Table parison table of MRR optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构损耗/dB串扰/dB功耗/mW开关时间带宽/nm[30]2011Columbia U——12——2.78 ns0.56[31]2009HKUST1.64—11～0.11.3 ns0.45 [32]2012IME4.3—10371 ns0.8 [33]2014TU/e2—2012017 μs0.8 [34]2009Cornell U2—9.817.47 ns0.48 [35]2014SJTU3.4—200.69(电光)2.3(热光)414 ps0.48表3 业界MEMS驱动波导型开关的代表成果Table parison table of MEMS optical waveguide switch cells.研究机构UC Berkeley[45]TohokuU[46]Tohoku U[47]Aeponyx Inc[48]驱动电压/V422628.2118开关时间/μs0.9118——300插入损耗/dB0.4712.614.8带宽/nm300——0.5宽带串扰/dB—60—17—32.9—403 硅基光波导开关矩阵在过去的几年中,硅基光电子集成技术得到了迅猛发展.随着CMOS工艺和晶圆技术的不断提升,在一块芯片上类似于电子集成电路那样单片集成数千个光子器件单元的愿景逐渐变成现实.不少研究机构和电信设备公司在硅基光电子集成平台上对大规模的硅基波导光开关矩阵进行了广泛的实用化研究.本节总结了业界大规模硅基光波导开关矩阵的代表成果,主要是基于上述三种光开关引擎的扩展应用.3.1 MZI型开关矩阵2011年至2015年期间,两种基于MZI技术的8×8硅波导光开关被Nakamura等[49,50]提出.它们作为转发聚合器(transponder aggregator)中的波长上传/下载开关矩阵,在城域网ROADM交换节点中具有无色、无方向和无冲突(colorless,directionless,contentionless,CDC)的功能.两种开关矩阵均采用1.5 μm厚的脊型硅波导层的SOI平台,通过热光调谐不仅实现了微秒级切换速度且偏振无关的开关特性,还使芯片与光纤之间的耦合变得更简单.2012年,Chen和Chen[51]报道了一种基于MZI的8×8硅波导光开关,这是首次在220 nm薄硅波导层SOI平台上实现的光开关矩阵,验证了高密度的光开关单元、交叉波导和脊型波导转化器等无源器件的集成.开关矩阵总面积为8 mm×8 mm,采用空气隔离槽提高热光相移器调谐效率,整块芯片的驱动功耗只有0.07 W,同时通过switch-&-select拓扑架构实现了片上最低损耗为4 dB,任意两个端口之间的串扰低于—30 dB.2014年,Dupuis等[52]和Lee等[53]分别报道了基于MZI型的4×4[52]和8×8[53]电光开关矩阵与数字型CMOS逻辑驱动电路的集成方案.这是第一个在90 nm硅光子集成工艺平台上实现光子芯片与CMOS逻辑驱动芯片单片集成的成果报道.驱动芯片包括标准逻辑单元,形成串行—并行接口,用于寻址连接到基于逆变器的驱动器的每个开关单元,并直接驱动开关电极.光子芯片包括电光相移器、热光补偿器和交叉波导等无源器件.8×8芯片总面积为0.675 mm2,开关时间为5 ns,总驱动功率小于50 mW.2015年,32×32的热光硅基波导光开关矩阵被Tanizawa等[54]第一次报道.此开关芯片是在45 nm CMOS工艺线上采用12寸SOI晶圆完成加工,芯片之间保持良好的一致性.开关矩阵总共包含1024个开关单元和961个方向耦合器型波导交叉,各条光路损耗具有良好的一致性.通过LGA转接板实现倒装焊电封装,芯片的总面积仅为11 mm×25 mm,是传统32×32 PLC芯片的1/46.芯片通过FPGA控制热光相移器,采用脉冲宽度调制驱动方式,开关时间为30 μs.2016年,Lu等[55]报道了MZI型16×16 Benes架构的电光开关,可以通过热光调谐补偿工艺容差和环境变化带来的相位差.随后,目前业界端口数最多的MZI型32×32的电光开关矩阵[56]和64×64的热光开关矩阵芯片[57]被Qiao等报道.他们通过优化算法,在矩阵的中间级设置数目尽可能少的片上光电监控器,用于优化开关路径和驱动状态,并在电光开关中采用推拉的双臂驱动设计来将片上损耗降低到18.5 dB,串扰为—15 dB.近期,我们报道了基于优化的Hybrid Dilated Benes拓扑架构的32×32热光开关[58].采用这种独创的新型拓扑架构,相同规模的光开关矩阵所需开光单元更少并获得更低的串扰.光开关芯片采用IME的8英寸晶圆工艺平台进行加工,总面积为12 mm×12 mm,包含 448个热光开关单元,1856个波导交叉,864个片上光电二极管监视器和68个模斑转换器.热光相移器和光电二极管通过FPGA和模数转换DAC 驱动控制,用于开关单元的自动初始化和驱动电流的实时校准,以此保持最低的串扰.芯片的电学封装采用金属引线键合方式实现1560个焊盘与CBGA陶瓷基座的连接,并且通过CuW衬底和TEC进行散热控制；光学封装采用68芯保偏光纤,通过PLC连接器与硅光子芯片对接耦合,耦合损耗小于3.2 dB.开关矩阵中最短光路的片上损耗为13 dB,99%的端口之间串扰低于—20 dB,采用隔离槽技术开关时间为1.4 ms,总功耗小于1 W.同时,我们还实现了支持双偏振光信号的16×16热光开关[59],用于400 Gb/s PDM-16QAM光传输系统中上传/下载波长信号.这是目前端口数最大的基于偏振分集技术的双偏硅基波导光开关,整个芯片包括416个热光开关单元,896个片上光电二极管监视器,48个偏振旋转分束器和48个模斑转换器,总面积为12.5 mm×12.5 mm.直通信号的偏振相关损耗小于0.3 dB,差分群速度时延小于0.1 ps,上载信号的偏振相关损耗小于1.1 dB,差分群速度时延小于3 ps. 3.2 MRR型开关矩阵2009年,首个5×5的微环谐振器型硅基波导光开关的设计方案被Poon等[31]提出.它基于cross-bar拓扑架构,其中单个微环半径为20 μm,矩阵的总面积仅为0.1 mm×0.1 mm,与相同规模的MZI开关矩阵相比降低约2个数量级.微环集成了PIN二极管电光相移器,采用载流子注入驱动,开关时间达到1.3 ns,信道间串扰低至—11 dB.由于光开关中采用多模干涉交叉器件替代传统的平面交叉,因此具有更低的损耗和串扰,可以用于单波长或者符合微环谐振器自由光谱程的WDM系统的波长路由.2014年,DasMahapatra等[33]报道了基于高阶耦合微环单元的热光8×7微环谐振器型光开关.每个开关单元采用五阶级联的微环结构和平面二维阵列式热电极,将光学带宽提升至100 GHz,自由光谱程为350 GHz.考虑到各条光路上的微环个数不同,路径相关损耗在14.5—22 dB之间.光开关矩阵的性能和可扩展性受到损耗的限制.2015年,Yang等[60]实现了具有最少开关数的可重构无阻塞四端口微环光路由器.这个4×4交换芯片仅包含四个微环,在所有路由状态下,信道间串扰低于—15 dB.近期,一种1×N/N×1空间波长(解)复用器与低损耗的光纤或2D平面交叉波导转接板组装的方式被Nikolova等[61]提出.基于switch-&-select拓扑架构,波长(解)复用器包含N个硅基微环谐振器和与之耦合的总线波导,用于上传/下载波长信号.这种设计的特点是每条光路仅包含两个微环谐振器,并且只产生二阶串扰.实验结果表明,8×8的硅基微环光开关损耗为10 dB,串扰低至—39 dB.然而,对于未来更大端口的单片集成而言,平面交叉波导转接板越来越复杂,因此可能限制其实际应用前景.3.3 MEMS驱动波导型开关矩阵上述MZI和MRR的开关矩阵中的光路都存在损耗和串扰的逐级积累的缺点.近年来一种基于MEMS驱动器与硅基波导耦合器相结合的新型光开关技术得到迅猛发展.采用2.3节中介绍的Seok等[45]提出的双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,这种开关矩阵有效地利用了crossbar架构的无源交叉网格传输光信号,解决了各级开关单元的损耗和串扰的逐级积累问题,从而提升了端口数的可扩展性能.2016年,规模为64×64的MEMS驱动波导型光开关被率先报道[45].它包含4096个开关单元,片上最大传输损耗为3.7 dB,开关时间为0.91 μs,串扰低于—60 dB.最近,规。
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
《2024年硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化》范文
《硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化》篇一一、引言随着光通信技术的飞速发展，硅基光波导因其低损耗、高集成度的优势，在光通信领域得到了广泛的应用。
在硅基光波导中，孤子作为一种特殊的光波传播形态，其相互作用及光谱演化成为了研究的热点。
本文将重点研究硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化的相关问题。
二、硅基光波导的基本原理与特性硅基光波导是一种以硅为材料的光波传播介质，具有低损耗、高折射率差等特性。
在光通信领域，硅基光波导因其高集成度、低成本的优点被广泛应用。
在硅基光波导中，孤子的传播和相互作用对于光信号的传输质量具有重要影响。
三、暗孤子相互作用的研究暗孤子是一种特殊的光波传播形态，其特点是具有凹陷的强度分布。
在硅基光波导中，暗孤子的相互作用主要表现在以下几个方面：1. 相互作用力：暗孤子在传播过程中会受到其他孤子的影响，产生相互作用力。
这种相互作用力的大小和方向取决于孤子的传播速度、振幅等因素。
2. 相互影响的过程：暗孤子在相互靠近时，会产生能量交换和相位调整等现象。
这种相互影响的过程可以通过数学模型进行描述和预测。
3. 影响因素：硅基光波导中的材料参数、结构参数以及环境因素等都会对暗孤子的相互作用产生影响。
因此，在实际应用中需要考虑这些因素的影响。
四、亮孤子光谱演化的研究亮孤子是一种具有高峰值强度的光波传播形态。
在硅基光波导中，亮孤子的光谱演化主要表现为：1. 能量分布：亮孤子在传播过程中，其能量分布会发生变化，从而影响光谱的形状和宽度。
2. 动态变化：亮孤子的光谱演化是动态的，受到外界环境和内部机制的影响。
这些影响因素包括温度、压力、材料特性等。
3. 演化模型：通过建立数学模型，可以描述亮孤子光谱的演化过程，并预测其变化趋势。
这些模型对于理解和控制亮孤子的传播和演化具有重要意义。
五、实验结果与分析为了研究硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化的相关问题，我们进行了以下实验：1. 暗孤子相互作用的实验：我们利用光学仿真软件对暗孤子在硅基光波导中的相互作用进行了模拟和观察。
硅光技术原理
硅光技术原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：硅光技术是一种以硅为基础的光电子技术，其原理基于硅材料对光的吸收、发射和传输特性。
硅是一种具有半导体特性的材料，具有优良的电子、光学和光电子性能，因此被广泛应用于光电子领域。
硅光技术利用硅材料的这些特性，通过控制硅材料的结构和性能，实现对光信号的处理、传输和探测，从而实现各种光电子器件和系统的设计和制造。
硅光技术的原理主要包括硅光伏效应、硅光导、硅激光和硅光检测等方面。
硅光伏效应是硅光技术的基础，在硅光伏效应中，光线照射到硅材料上时，光子与硅原子之间发生相互作用，激发硅中的自由载流子，形成电子-空穴对，从而产生电流。
硅光伏效应是太阳能电池的工作原理，利用这种效应可以将太阳能转化为电能。
硅光导是硅光技术的一个重要方面，利用硅材料对光的高折射率和低传输损耗的特性，可以制造出各种光导器件，用于光信号的传输和处理。
硅激光是利用硅材料的光放大和随机辐射特性，实现光的放大和激光输出，广泛应用于通信、医疗和材料加工等领域。
硅光检测是硅光技术中的另一个重要方面，利用硅材料对光的吸收、发射和响应特性，可以实现对光信号的探测和测量。
硅光检测器件广泛应用于光通信、光传感和光成像等领域，具有高灵敏度、快速响应和稳定性等优点。
硅光技术是一种基于硅材料的光电子技术，具有广泛的应用前景和发展潜力。
随着硅光技术的不断进步和创新，相信在未来的光电子领域将会有更多的突破和进展，为人类社会的发展和进步带来更多的新技术和应用。
第二篇示例：硅光技术是一种利用硅材料来实现光学功能的技术，其原理是基于硅材料在光学上的特性和光电子器件的工作原理。
硅光技术在光通信、光传感、光存储等领域具有广泛的应用前景，是当前光电子领域的研究热点之一。
硅材料是一种普遍存在于自然界中的材料，具有很好的机械性能和热性能。
在光学上，硅材料具有较高的折射率和透射率，适用于制备各种光学元件。
由于硅材料是半导体，它在光学波长范围内具有较好的光学非线性效应，可以用来制备各种光学器件。
硅基波导集成光学相控阵芯片
硅基波导集成光学相控阵芯片目录一、内容概览 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 研究内容与方法 (5)二、硅基波导理论基础 (6)2.1 硅材料特性 (7)2.2 硅基光波导结构 (9)2.3 波导传输特性 (10)三、光学相控阵技术原理 (11)3.1 相控阵技术概念 (12)3.2 光学相位控制原理 (13)3.3 相控阵阵列设计与性能优化 (14)四、硅基波导集成光学相控阵设计 (16)4.1 设计流程与方法 (17)4.2 波导设计与优化 (19)4.3 相控阵单元设计 (20)4.4 集成与封装技术 (21)五、实验与测试 (22)5.1 实验平台搭建 (24)5.2 样品制备与测试方法 (25)5.3 测试结果与分析 (26)六、结论与展望 (28)6.1 研究成果总结 (29)6.2 存在问题与改进方向 (30)6.3 未来发展趋势与应用前景 (31)一、内容概览本文档深入探讨了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计与制造，详尽地描述了该技术的核心原理、关键组件以及制备工艺。
硅基波导作为光子集成电路中的基本构建模块，以其低损耗、高集成度等优势在光通信系统中扮演着越来越重要的角色。
而光学相控阵技术则通过精确控制波导中光的传播路径，实现高效的光学干涉和相位控制，进而应用于雷达、通信、遥感等领域。
本文档首先概述了硅基波导的基本结构和特性，解释了其作为光子集成电路基片的优势。
重点介绍了光学相控阵的工作原理，包括相位控制和波束形成的基本概念。
在此基础上，详细阐述了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计流程，包括波导设计、阵列布局、光源和检测器的选择等关键技术环节。
在制备工艺部分，文档讨论了目前常用的硅基波导制备方法，如光刻、刻蚀、薄膜沉积等，并分析了这些工艺对波导性能的影响。
也展望了未来可能的技术革新和发展趋势，如新型材料、更精细的制程技术等。
文档总结了硅基波导集成光学相控阵芯片在现代光学和光电子技术中的重要地位和应用前景，强调了其在推动光通信、雷达等系统性能提升中的关键作用。
硅基光子学的原理与光学器件研究
硅基光子学的原理与光学器件研究光子学作为一门研究光的行为和性质的学科，一直以来都备受关注。
而在光子学的发展过程中，硅基光子学成为了一个热门的研究领域。
本文将介绍硅基光子学的原理和光学器件研究，探讨其未来的发展前景。
硅基光子学的理论基础源于硅的特殊物理性质。
硅是一种广泛应用于集成电路制造的材料，它具有高折射率、高导热性和低色散等优势。
这些特性使得硅材料非常适合用于光学器件的制造，尤其是在通信领域。
在硅基光子学中，硅波导是一种常见且重要的元件。
硅波导可以通过制造一定形状和深度的结构来控制光的传播。
通过光波在波导内部的传播，可以实现光的引导和耦合，从而实现光的传输和调控。
硅波导的制造通常使用微电子加工工艺，与集成电路的制造方式类似。
硅波导还可以实现光的调制。
通过将电信号转化为光信号，然后通过控制光的强度来实现信号的调制。
这种调制方式被广泛应用于光通信系统中，能够实现高速、大容量的数据传输。
硅基光子学在光通信领域有着巨大的应用潜力。
除了硅波导，硅基光子学还涉及到其他一些重要的器件，如光调制器、光开关和光放大器等。
光调制器可以通过控制光的相位和强度来实现光信号的调制。
光开关可以在不同的路径之间切换光的传输，实现光信号的路由和分配。
光放大器可以将光信号放大，增强光的信号强度。
硅基光子学的研究还涉及到一些新兴的领域，如量子光学和光子计算等。
量子光学研究光与物质之间的相互作用，利用光的量子特性来实现量子计算和通信。
硅基光子学可以提供一个制备和控制光量子态的平台，为量子信息处理提供了新的可能。
光子计算是一种新颖的计算方式，利用光的优势来实现快速、高效的计算。
硅基光子学可以提供光子计算中所需的光源、耦合器和光学器件等基础设施。
光子计算的潜力巨大，有望成为未来计算的重要技术之一。
虽然硅基光子学有着广泛的应用前景，但也面临着一些挑战。
例如，硅材料的光学非线性较弱，这在一定程度上限制了硅基器件的性能。
此外，硅基光子学的制造成本较高，这也限制了它在某些领域的应用。
硅基光波导
Output light Si core Oxide layer Si layer
硅基光波导的具体应用
光束分路器
光波导分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光 波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上。然后，在芯片 两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列并进行封装。
FHD具体原理：
在H2和O2的燃烧氛围中,通过SiCl4的水解作用，生成的SiO2细微颗粒沉积在Si 基的表面上。再经过1100至13000C高温炉灼烧可以生成致密的厚SiO2膜。
为了得到高折射率的波导层，可以采取掺Ge的方式。将SiCl4和GeCl4等源气 体经充分混合后，同样在在H2和O2的燃烧氛围中发生水解反应。
硅基光波导制备及其在集成光 学器件的应用
报告人：114104000463朱泽忠
参照论文：Silica waveguides on silicon and their application
to integrated-optic components
参照信息
论文作者：MASAO KAWACHI（河内正夫） 参考文献：Silica-based single-mode waveguides on silicon
目录
引言 二氧化硅光波导薄膜的制备 硅基光波导的耦合 硅基光波导的具体应用 总结
引言
随着光通信技术的发展，信息的传递速度也越来越快，由很久之前的电 信号逐渐转换为现在的光信号。所以，现在的光学器件都需要光纤的传输系 统（其具有更高的传输效率和更好的可变性）。 然而，在器件进行集成耦合时，就会出现很多产量，稳定性，适配性等 诸多问题。直到1969年，光波导概念的提出，才解决了上述问题。
火焰水解法(FHD)是一种光纤制备工艺，它具有沉积速度快、容易实现掺 杂等特点。在1983年，Kawachi等人就利用火焰水解法在Si基上制备出了低 损耗的SiO2-TiO2波导。 利用FHD技术制作光波导时，可结合反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术。下面将以制作SiO2-TiO2波导为例，讲解一下典型的制 作过程。
硅波导和光纤
硅波导和光纤
硅波导和光纤是两种常见的光通信传输介质，它们在不同的场合和用途中具有各自的优点和局限性。
在这里，我们将对硅波导和光纤进行比较和分析，以期更好地了解它们的特性和应用。
硅波导是一种基于硅材料的光传输介质，类似于微型电路板上的微小管道，能够将光线嵌入其中并传送。
相比之下，光纤则是采用光透明材料制造的，将光线通过全反射的方式传输。
首先，硅波导具有高度可控的光线走向和强大的集成能力，适用于微型光电子学与微米级信号传输。
硅波导的一大优点就是，在微型芯片上可集成多个波导器件，实现高度集成的光电子学芯片，大大提高了传输速率和精度。
其次，在长距离传输方面，光纤比硅波导更为优秀，因其材料的高纯度和优质性能。
它符合光线的容易传输和保持，使得它可以在几百公里至数千公里的距离内传送光信号，并且无需进行信号增强或中继。
除此之外，硅波导和光纤在初始成本和性能方面也有所不同。
硅波导的成本较高，由于集成度的增加，进行必需的微细工艺和优质材料的使用，导致它的价格比光纤高昂得多。
而对于那些对成本的要求较高
的大型项目而言，光纤则是更为优秀的选择，因为它们具有低成本且易于制造的优势。
综上所述，硅波导和光纤各自具有独特的优缺点和适用范围，在不同的应用场合和需要中，它们可以分别使用。
无论是为了高速率和精度的要求，还是长距离传输和成本效益，硅波导和光纤都为不同的使用者提供了不同的选择。
总之，光通信在现代社会中的重要性不断上升。
硅波导和光纤是其不可或缺的组成部分，它们展示出了光通信的各种应用和优势。
随着技术不断升级和发展，相信它们在未来的应用领域中将会有更加广泛和深入的发展。
硅基激光器原理
硅基激光器原理
硅基激光器是一种基于硅材料的激光器。
通常情况下，硅材料是无法直接产生激光的，因为硅是间接带隙半导体材料，其能带结构限制了光子的辐射。
然而，通过一些特殊的结构设计和技术改进，硅基激光器可以实现激光输出。
硅基激光器的工作原理主要涉及硅材料和其他辅助材料，如掺杂材料和波导结构。
以下是硅基激光器的工作原理的概述：
1. 掺杂：硅材料通常较难实现直接辐射，因此使用掺杂技术来改变硅的能带结构。
通过掺入适当的杂质，例如磷(P)或铜(Cu)，可以实现更直接的能带结构，从而改变硅的光特性。
2. 波导结构：硅基激光器通常采用波导结构来增强光的传输和反射。
波导可以通过控制硅层的折射率来实现，从而将光限制在硅波导中。
3. 注入电流：在硅波导中，注入电流可以通过电子和空穴的复合来产生光子。
通过应用合适的电场和电流，可以激发掺杂材料中的电子和空穴，并在注入区域产生光。
4. 反射和放大：波导结构中的反射镜将光反射回注入区域，增强光子的发射。
同时，掺杂材料中的激发态可以通过受激辐射放出更多的光子，实现光的放大。
5. 反馈和振荡：当放大的光超过一定程度时，反射镜的反射将形成正反馈回路。
在正反馈的作用下，光能量可以在波导中被
反复反射和放大，最终形成激光输出。
值得注意的是，硅基激光器的制造和工作原理相对复杂，通常需要特殊的技术和设备来实现。
然而，由于硅材料的丰富性和成熟的半导体工艺，硅基激光器在集成光子学和光通信等领域具有巨大的潜力。
硅基光子学的研究进展
硅基光子学的研究进展硅基光子学是一种研究利用硅材料构建光子器件并实现信息传输和处理的科技领域。
在当今信息技术飞速发展的时代，硅基光子学技术的研究成果对于新一代数据传输、通信、计算和储存等领域都有极为重要的作用。
本文将主要探讨硅基光子学研究的发展现状和未来趋势。
1. 硅基光子学概述硅基光子学是一种新兴的光电子系统领域，旨在把集成电路的制造技术应用到光电子学系统的生产中。
硅基光子学使用的是硅材料，这是一种广泛应用于半导体电子学和计算机领域的材料。
硅芯片的最新技术已经在纳米级别得到了实现，这为硅基光子学技术的发展提供了巨大的基础。
硅基光子学得到了广泛的应用，例如通信、计算、检测、感知和操纵。
2. 国内外研究现状硅基光子学的研究在国外已经得到了较为成熟的发展。
例如，美国、日本和欧洲等国和地区已经有许多知名的硅基光子学研究所和公司。
在国内，近几年来，各大高校和科研机构也开始加强硅基光子学研究力度。
例如，中科院武汉物理与数学研究所、中科院苏州纳米技术研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所等都在该领域取得了重要成果。
目前，硅基光子学的研究方向主要包括以下几个领域：2.1 硅基光波导硅基光波导是硅基光子学重要的基础技术。
硅基光波导可以将光导向准确的路径，从而实现高速、高效率和低损耗的信息传输。
硅基光波导技术是硅基光子学实现低成本和高性能光电子器件的关键。
2.2 硅基光器件设计设计不同类型的硅基光器件是硅基光子学的又一个重要研究方向。
例如，硅基光耦合器、硅基光调制器、硅基光放大器和硅基光激光器等。
这些器件的设计和制造是构建硅基光子学系统不可或缺的步骤。
2.3 硅基光子系统硅基光子系统结合了硅基光波导和硅基光器件。
这种系统利用硅材料的优势，使用制造集成电路的技术制造复杂的光电子集成芯片。
目前，硅基光子系统已被用于光通信、光计算、光传感和生物医学等领域。
3. 未来趋势随着信息技术的不断发展，硅基光子学将会在各个领域得到更广泛的应用。
硅基光波导
硅基光波导硅基光波导是一种光纤传输中的关键技术，它通过利用硅材料的光电特性，将光信号有效地引导在硅基材料中传输。
硅基光波导具有许多优点，例如小尺寸、高速传输、低损耗和兼容性强等特点，在光通信、生物医学、量子计算和光电子学等领域有着广泛的应用。
硅基光波导的制备技术主要包括常用的直写法、离子束刻蚀法和激光光刻法。
直写法是利用光固化材料和UV光源，通过直接写入图案设计在硅基材料上进行波导的制作。
这种方法可以实现高分辨率和快速加工，但成本较高。
离子束刻蚀法则是利用高能离子束对硅基材料进行刻蚀，从而形成所需的波导结构。
激光光刻法是利用激光光源和遮罩图案，将波导结构直接烧蚀到硅基材料中。
硅基光波导中的最常用波导结构包括单模波导和多模波导。
单模波导是指仅支持一条光信号传输模式的波导结构，其尺寸通常较小，适用于高速传输。
多模波导则是可以支持多条光信号传输模式的波导结构，其尺寸相对较大，适用于低速传输。
此外，硅基光波导还可以采用不同类型的衬底材料，如硅氮化物和石英，来实现对光信号的引导。
硅基光波导的优势之一是其高速传输性能。
由于硅材料具有较高的折射率和光电效应，硅基光波导可以实现高带宽和低损耗的光信号传输。
同时，硅基光波导与光电子器件之间的兼容性较好，可以与传统的硅基集成电路技术相结合，从而实现高度集成化的光电子系统。
此外，硅基光波导还具有很好的稳定性和抗干扰能力，可以在复杂的工作环境下稳定地传输光信号。
在光通信领域，硅基光波导被广泛应用于光纤网络的建设和数据中心的光互连技术中。
由于其高速传输性能和低损耗特点，硅基光波导可以实现高密度的光通信和大容量数据传输。
在生物医学领域，硅基光波导可以用于生物传感器、生物标记和免疫分析等应用，具有高灵敏度、实时检测和高通量的优势。
在量子计算和光电子学领域，硅基光波导可以用于量子比特的传输和控制以及光电子器件的集成等方面。
总之，硅基光波导是一种重要的光纤传输技术，具有小尺寸、高速传输、低损耗和兼容性强等优点。
SOI集成光波导器件的基础研究
SOI集成光波导器件的基础研究随着光通信和光电子技术的飞速发展，集成光波导器件在光信息处理、光传感、光互联等领域具有广泛的应用前景。
在各种集成光波导器件中，基于硅基材料的光波导器件因其在高速、低损耗、抗电磁干扰等方面的优势，成为当前的研究热点。
本文将介绍SOI（Silicon-on-Insulator）集成光波导器件的基础研究，包括其应用领域、研究现状、存在的问题以及未来研究方向。
SOI集成光波导器件是一种基于硅基材料的光波导器件，其结构是在硅基衬底上制备一层硅膜，从而实现光波在硅膜中传播。
由于硅材料的折射率较高，且具有成熟的集成电路制造工艺，因此SOI集成光波导器件具有体积小、集成度高、速度快、功耗低等优点。
目前，SOI集成光波导器件已成为光子集成领域的重要研究方向之一。
SOI集成光波导器件的研究方法主要包括实验设计和理论分析。
实验设计包括光波导结构的设计、材料的选取和制备、器件的性能测试等环节。
理论分析则通过建立物理模型，运用数值模拟方法对光波导的传输特性进行预测和优化。
尽管这两种方法在SOI集成光波导器件的研究中具有重要应用价值，但也存在一些问题。
例如，实验设计往往需要大量的时间和资源，而且可能受到制备工艺和测试设备的限制；而理论分析则可能因为物理模型的不准确或者数值模拟方法的局限性而导致结果与实际情况存在偏差。
近期，我们开展了一系列SOI集成光波导器件的研究工作，并取得了一些有意义的实验结果。
在实验中，我们设计并制备了一种基于硅基材料的SOI光波导器件，通过对器件的传输特性进行测试，发现该器件具有低损耗、高稳定性等优点。
我们也发现该器件的传输性能受到材料制备工艺和环境因素的影响较大，这为进一步优化器件性能提供了重要参考。
SOI集成光波导器件的基础研究在光通信、光信息处理、光传感等领域具有重要的应用价值。
当前的研究成果表明，SOI集成光波导器件具有广阔的发展前景。
然而，仍然存在一些挑战和问题需要解决，如提高器件的稳定性、降低制备成本、优化器件的设计和制造工艺等。
光波导硅基光电子集成芯片的研制及应用研究
光波导硅基光电子集成芯片的研制及应用研究光波导硅基光电子集成芯片是一种新型的集成化技术，它将光电子学、微电子学和纳米技术相结合，可以集成多种光电子器件和电子器件，具有功耗低、速度快和互联好等优点，被广泛应用于通信、计算、测量等领域。
本文将从研制和应用两个方面，阐述光波导硅基光电子集成芯片的现状和未来发展方向。
一、光波导硅基光电子集成芯片的研制现状光波导硅基光电子集成芯片的研制是一项复杂的工程，需要涉及到多个学科领域的知识和技术，例如物理学、光学、微电子学、材料学等。
在这些学科领域的支持下，光波导硅基光电子集成芯片的研制已经取得了一定的进展。
首先，光波导硅基光电子集成芯片的制备需要特殊的材料，其中硅是制备光波导结构的重要材料。
硅材料具有高导电率、高晶体质量和化学稳定性好等特点，适合用于制备光波导结构。
近年来，许多实验室都致力于研究新型硅材料，例如氧化铝掺杂硅材料、氮化硅材料、二氧化硅材料等，以提高硅材料的性能，增加光波导集成芯片的应用领域。
其次，光波导硅基光电子集成芯片的制备需要特殊的工艺，其中最重要的工艺是纳米加工技术和光刻技术。
纳米加工技术是一种非常重要的技术，可以制备出高精度的光波导结构，包括光阻模板法、电子束光刻法、离子束刻蚀法、原位掩模法等。
光刻技术也是一种非常重要的技术，可以制备出高分辨率的图形，包括光刻胶法、反射率法、相衬法、表面波法等。
这些工艺的优化和改进，可以使得光波导集成芯片制备的精度更高，从而提高其性能和可靠性。
最后，光波导硅基光电子集成芯片的研制需要多种技术的协同，例如微电子器件技术、太赫兹技术、激光器技术、电子射线技术等。
这些技术的融合可以实现多种功能的集成，例如光电探测器、光调制器、光放大器、激光器等，从而满足不同领域和应用对光波导集成芯片的需求。
二、光波导硅基光电子集成芯片的应用研究现状光波导硅基光电子集成芯片的应用研究也已经取得了重要的进展，成为了科研和工程实践中的热门话题。
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以上功能是光栅处于最简单的周期性结构下实现的，通过调整光栅中 Si 的宽度，使光栅周期性变复杂，理论上也可以像光纤光栅那样实现滤波、 选频、色散补偿等功能。如果要用硅基光波导实现光放大器、激光器，就将 难免用到这些功能的光栅。
光放大器
目前常用的光纤放大器大多为掺铒光纤放大器， 它最基本的部分包括掺 铒光纤、泵浦激光器、波分复用器和光隔离器。它的工作原理也很简单，在 泵浦光的作用下， 信号光在掺铒光纤中得到放大， 最终经隔离器输出光信号。
光纤与硅基光波导及其器件对比
光波导是导引光在其中传播的介质，而光纤则是最常见的光波导之一，广泛 地应用于光纤通信、 光纤激光器等领域， 硅基光波导则是实现 OEIC、 PIC 的基础。 同为光波导，光纤与硅基光波导在结构上有很多相似之处，相比而言，光纤及其 各种器件的制备技术已经十分成熟，故可以根据已有的光纤器件的结构去设想、 设计、改进硅基光波导器件。
难，但把激光器放在集成芯片之外也不合适。现在的 LD 多为量子阱结构， 未来几年量子线，量子点也会逐渐成熟，也必将更加小巧，是否可以将 LD 直接 “安装” 在 PIC 或 OEIC 上呢？为什么必须要在硅上长出激光器？最后， 还有光隔离器的问题，对于它，我并没有什么头绪。 参考资料： 1、 Silicon Photonics –PhD course prepared within FP7-224312 Helios project 2、 《光纤光学》 （第二版）刘德明 孙军强 鲁平 严敏 主编 3、 《硅基光波导及光开关的研究进展》Semiconductor Optoelectronics 文章编号:1001 -5868(1999)06 -0369-08
平面 taper
3D taper
光栅
光纤光栅是通过使纤芯沿着纵向的折射率形成一定的周期性变化形成 的。下图中，纤芯中不同深浅的颜色即代表了折射率的相对大小。根据折射 率的分布不同，可以实现滤波、选频、切趾、色散补偿等功能。
与光纤光栅不同， 硅基光波导不是对波导层的折射率进行连续调制，而 是形成 Si-空气（或其它介质）的周期性分布（如下图） 。和光纤光栅相比， 硅基
透镜
不管是光纤还是硅基光波导， 都不可避免地会遇到和光源或者其他器件 进行光耦合的问题。 为了达到较高的耦合效率， 就需要透镜对光束进行变换。
对光纤而言， 可以使用的透镜有很多，这里介绍自聚焦透镜和和光纤微 透镜两种。 自聚焦透镜是利用光纤的渐变折射率分布，是光线在透镜中发生弯曲， 从而实现对入射光进行径向或角向压缩（根据光纤的长度不同） ，从而使光 更好地耦合进光纤或者从光纤输出耦合到下一个器件。
光波导光栅可以制作成更复杂的形状。光纤光栅是一维的光栅结构，而 硅基光波导光栅更多制作成二维结构，以便把外部的光 TE、TM 两个偏振模 式全部耦合进光波导。如左下图，入射光的两个偏振均已 TE 模式进入光波 导， 从而避免了不同模式在波导中的损耗不同。右下图是将光栅制作成圆弧 形，从而使光已汇聚的形式进入波导，增大了耦合效率。
硅基光波导一般为脊形波导，其波导层（下图中的 core）和限制层（下图 中 oxide）的折射率一般比较大。如下图中，波导层 Si 的折射率约为 3.5，而限 制层 SiO2 的折射率约为 1.5， 折射率差达 69%， 故该波导对光场的约束能力很强， 可以把弯曲半径做的很小， 易于集成。然而该波导很难像光纤那样做成渐变折射 率结构，这使得光纤的一些器件用硅基光波导很难ＭＺ光开关阵列》光电 ２０１３年１月
子· 激光第２４卷第１期
5、 《硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究》光电子• 激光 第 25 卷第 9 期 ２０ １4 年 9 月
光放大器在硅基上实现比较困难，我并未找到比较完善的资料。根据我 自己的设想，可以考虑制成和掺铒光纤放大器相同的结构，当然，这样肯定 存在几个问题。一是掺铒光纤中光纤光纤的长度大约有几十米，在硅基上要 实现相同的增益，应让光波导的折射率差尽量大，这样可以使波导的曲率半 径做的很小， 从而可以在硅基在来回曲折以增加波导长度，同时可以考虑提 高铒的掺杂浓度， 然而我并不清楚掺铒的硅是否能很好的生长在硅基上。此 外，泵浦激光器也是问题，在硅基上做出半导体激光器（LD）现在还很有困
光耦合器
光耦合器是传送和分配光信号的无源器件， 通过波导中传输模式的耦合 作用来实现耦合功能。 在光纤系统中，可以用光耦合器来实现分束器、波分复用器、隔离器、 环形器和光开关等。
在硅基光波导中，光耦合器可以实现分束、合波、光开关及光开关阵列等。
上图左边为 2X2 的耦合器， 右图为 1X2 的耦合器，通过调整两个波导参数或 者耦合距离即可改变两输出端光功率的比。而由于耦合距离是和波长相关的，故 该结构可将不同波长的光分离，从而实现波分复用功能。当然，也可以将不同波 长的光进行合波。
自聚焦光纤
光纤微透镜则是直接在光纤端面上拉锥，形成球透镜。
光纤微透镜的结构示意图
对于硅基光波导，制成渐变折射率结构几乎是不可能的，故只有制作成 Taper 结构来实现透镜的功能。平面 taper 的结构是比较容易制作的，与之 相对应的 3-Dtaper 本应该是棱台结构， 但由于该结构不易制作， 故一般制作 成阶梯型结构。Taper 的长度必须要合适，长度过小，模式转换过于剧烈， 损耗较大；长度过小，则累积损耗较大。
下图是一个最简单的 M-Z 干涉仪开关，正常情况下，两束光合波输出，处于 “开”状态，当有源区被施加电压时，由于电光效应，可使两束光产生 π 相位 差，从而使两束光干涉相消，光路处于关“状态” 。
M-Z 干涉仪开关 左图是一 个基于 CMOS 工 艺 制 作 的 4X4 M-Z 干 涉 仪 光 开关阵列， 它的 每个基本单元 是 2X2 的 M-Z 干涉仪光开关， 同样， 它也能作 为基元去构成 更大的光开关 阵列。 如果可以把法拉第旋光片也集成到硅基光波导上， 那么硅基光波导就可以像光纤 一样，构建光隔离器和光环形器等器件。然而，也许是因为法拉第旋光效应是依 赖于磁场的，我并未找到硅基光隔离器的文献。
波导结构
光纤是圆柱形光波导，主要有纤芯（折射率 n1）和包层（折射率 n2）组成。
2 根据 n1 是否为常数分为阶跃光纤和渐变光纤两种。 其相对折射率差������ 1 2 +������ 2 约为 1%， 1 2
������ 2 −������ 2
故一般的光纤对光场的限制能力并不强，这使得光纤的弯曲半径很大，否则光场 就会从包层泄露。