硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟
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。
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。
太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析
太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析潘武;周亚婷;邓珊;程彩玲【摘要】The silicon-based ultra-compact microring resonator in the terahertz communication window was de-signed.According to the transfer matrix method and the coupled mode theory,the transfer function of the microring re-sonator was calculated,and the critical coupling conditions of microring resonator were obtained by analyzing the waveguide coupling coefficients.3D finite-difference time-domain method is used to analyze the performance parame-ters of microring resonator,and the obtained results were compared with that of the cascade dual microring resona-tor.The results show that a free spectral rang of the microring resonator is 27 GHz and an insertion loss is 0.3 dB.And the spectral shape factors of two kinds of microring resonators are 0.1 6 and 0.52 respectively.That means cascade du-al microring resonator result in flatter top resonance and higher roll-off vertical degree.%设计了一个工作频率在太赫兹大气传输第一窗口的硅基波导型微环谐振器。
硅基光电探测器的特性研究
硅基光电探测器的特性研究硅基光电探测器的特性研究摘要：硅基光电探测器是一种重要的光电器件，具有高灵敏度、广泛的波长范围、低成本和易于集成等优势。
本文对硅基光电探测器的特性进行了综述，并提出了进一步的研究方向。
引言随着信息技术的迅速发展，对高性能光电器件的需求不断增加。
硅基光电探测器作为一种重要的光电器件，具有高灵敏度、高速响应、低功耗、广泛的波长范围、低成本和易于集成等优点，已经广泛应用于通信、传感、医疗、安防等领域。
硅基光电探测器的特性研究对于进一步提高其性能和拓展应用具有重要意义。
硅基光电探测器的特性1. 高灵敏度硅基光电探测器的灵敏度是指其对光信号的敏感程度。
硅基光电探测器的灵敏度主要取决于两个方面：光电导增益和量子效率。
光电导增益是指光信号被转换为电信号的增益程度，它与硅基光电探测器的结构和工艺参数有关。
量子效率是指光信号转换为电信号的效率，它受到光的波长和入射角、表面缺陷和杂质等因素的影响。
目前，研究人员通过优化硅基光电探测器的结构，如引入薄膜和纳米颗粒等结构调控方法，以提高其光电导增益和量子效率，从而实现高灵敏度。
2. 广泛的波长范围硅基光电探测器在可见光和近红外光波段有良好的响应特性，波长范围一般介于400 nm到1600 nm之间。
然而，由于硅本身的能带结构限制，硅基光电探测器对于长波长红外光的响应较弱。
为了扩展硅基光电探测器的波长范围，研究人员采用了多种方法，如掺杂、异质结构、纳米结构等技术。
这些方法的应用不仅拓宽了硅基光电探测器的波长范围，还提高了光电转换效率和响应速度。
3. 低成本和易于集成硅作为地球上最常见的材料之一，具有成本低、可扩展性强和易于集成等特点。
硅基光电探测器采用的是标准的CMOS工艺，可以与传统的集成电路在同一芯片上制造，从而实现成本的降低和集成度的提高。
此外，硅基光电探测器还能与其他硅基光电器件集成，如光放大器和光调制器等，形成完整的光通信系统。
因此，硅基光电探测器在大规模应用和工业化生产方面具有显著优势。
硅基光电子工艺中集成锗探测器的工艺挑战与解决方法
件的各个位置，形成光吸收中心或者 P-N 节漏电流，从
而进一步造成硅光器件光损耗异常甚至失效。
为了对金属污染进行防控，我们将工艺线上的设备
和晶圆划分成了前段、Ni 段、后段以及铜段 4 个污染
段，并设置了 9 个污染等级。其中前段为非金属段，包
含 1-3 共 3 个污染等级，主要用于硅光无源器件、注入、
1e-10-10 -8
-6
-4
-2
0
Voltage(V)
(a) C 波段 Ge 探测器
（b） 1e-4
1e-5
1310nm
1e-6
1e-7
1e-8
1e-9
1e-10 -10 -8 -6 -4 -2 0 Voltage(V)
(b) O 波段 Ge 探测器
图 5 无光照时 Ge 探测器电流电压曲线
Fig.5 Current-voltage curve of Ge detector without illumination
本文讨论了硅基光电子芯片集成锗探测器在实际工 艺中遇到的挑战和解决思路。硅基光电子芯片集成锗探测 器主要挑战在于热预算兼容、金属污染防控及工艺结构的 匹配三个方面。针对这三个问题，首先需在硅基光电子工 艺流程中选择热预算兼容的工艺段，由于锗材料的熔点为 938℃，而离子注入后典型的退火工艺温度约 1000℃ [1]， 锗探测器集成只能选择在离子注入工艺段之后。其次， 金属离子进入锗晶格后，会产生中间能级，导致探测器 暗电流增大，因此，将锗探测器集成控制在金属材料相 关工艺段之前可以最大限度地避免金属污染。综合考虑 工艺架构匹配，将探测器集成在 SAB（Salicide Block） 工艺段前为最优。同时，通过采用工艺温度较低的镍的 硅化物（约 400℃）替代工艺温度较高的钴的硅化物（约 800℃），来降低后续工艺温度对探测器的影响，避免高 温带来锗晶格缺陷造成暗电流增加。结合厚 SAB 工艺设 计及优化，最终实现了高性能的锗探测器的工艺集成。 1 硅光集成 Ge 探测器简介
硅超构表面上强烈增强的三次谐波
硅超构表面上强烈增强的三次谐波杨玖龙; 元晴晨; 陈润丰; 方汉林; 肖发俊; 李俊韬; 姜碧强; 赵建林; 甘雪涛【期刊名称】《《物理学报》》【年(卷),期】2019(068)021【总页数】8页(P112-119)【关键词】超构表面; 三次谐波; 硅介质【作者】杨玖龙; 元晴晨; 陈润丰; 方汉林; 肖发俊; 李俊韬; 姜碧强; 赵建林; 甘雪涛【作者单位】西北工业大学理学院超常条件材料物理与化学教育部重点实验室陕西省光信息技术重点实验室西安710072; 中山大学物理学院光电材料与技术国家重点实验室广州510275【正文语种】中文1 引言硅基光子学的快速发展极大地促进了各种硅基光子器件的研制与发展[1−3],同时也将硅介质在光电子学方面的应用研究逐渐拓展到非线性光学领域[4−6].硅在红外波段具有较低的线性损耗、高的折射率(n ≈ 3.48)以及较大的三阶非线性极化系数(χ(3) ≈ 2.79 × 10－18 m2·V－2,n2(Si) ≈ 2.7 ×10－18 m2·W－1)[7],且其加工工艺符合CMOS流程,因此可以作为一种理想的红外波段三阶非线性光学材料.然而,目前基于硅介质所实现的非线性效应普遍具有效率低的缺点,限制了硅基非线性光学器件的实际应用.近年来,已经报道了多种硅基微纳光子结构用于增强其非线性效应,如硅纳米线波导[8,9]、光子晶体微腔等[10−12].这些工作为基于硅基光子芯片的非线性效应实现全光信号处理提供了可行的解决方案.本文提出利用单晶硅制备具有法诺共振效应的超构表面(metasurface)结构[13],利用其共振模场的场增强效应实现高效率的三次谐波激发(THG),如图1(a)所示.近年来,基于高折射率纳米结构中共振效应的超构表面已被证明可以实现对光波传输以及光与物质相互作用过程的有效调控[14−18].相较基于贵金属的超构表面,硅基超构表面具有在可见光波段吸收损耗低且可有效避免热效应[19−21]等优点.已有多种基于硅基超构表面的线性光学器件被报道,如宽带超构表面透镜[22,23]、偏振无关的光束波前调制器[24]等.若在硅基超构表面中实现高效率的三阶非线性效应,对进一步拓展这些光学器件的非线性功能至关重要.本文通过设计与制备一种由L形米氏共振单元所组成的超构表面结构,实现了硅介质THG信号的220倍增强,其转换效率提升至3 × 10－7.2 样品制备及实验测量选用厚度为500 µm的蓝宝石作为衬底(折射率n ≈ 1.762),在衬底上生长一层600 nm厚的单晶硅薄膜.在单晶硅薄膜表面均匀旋涂一层电子束曝光胶,随后利用电子束直写的多点曝光技术在电子束曝光胶上定义超构表面的结构图形.显影定影后,利用电子束曝光胶作为掩膜,通过感应耦合等离子体干法刻蚀工艺在硅薄膜上刻蚀出超构表面结构.该超构表面的单个共振单元具有非对称结构,使其面内的“亮模式”电偶极共振与面外的“暗模式”磁偶极共振发生模式耦合,形成法诺共振.且在阵列情况下,单个共振单元共振模式的辐射衰减由共振单元间叠加的局域场进行补偿形成高Q的法诺共振和电磁场增强[13].为实现最大的场增强效应,选用的结构为由16 × 15阵列排布的共振单元构成,如图1(b)所示.图1(c)给出了每个共振单元的具体结构参数.图1(d)给出了测量硅基超构表面THG的实验光路系统,其中物镜1 (50 ×Mitutoyo Plan Apo NIR,NA=0.42)用于聚焦抽运光并收集反射信号,物镜2 (20 × Mitutoyo Plan Apo NIR,NA=0.4)用于收集透射以及THG信号.抽运光及THG信号光的偏振方向分别通过起偏器P1和半波片以及检偏器P2进行控制和检测.图1 (a)硅基超构表面中的三次谐波激发;(b)结构正面的扫描电子显微镜图像;(c)共振单元的尺寸示意图;(d)光路系统示意图Fig.1.(a) Schematic of THG from the silica−based metasurface;(b) a top−view scan electron microscope image of the metasuface;(c) the schematic diagram of the L−shaped resonators;(d) illustration of experimental set−up.实验中,为测量所制备器件的法诺共振光谱,使用波长范围在1530－1560 nm可调谐窄带连续激光器作为抽运光源,系统的反射以及透射信号利用近红外光电探测器进行实时采集记录.为观察和有效测量所制备器件激发的THG信号,将抽运光源更换为可调谐皮秒脉冲光纤激光器,其波长范围为1540－1560 nm,脉冲宽度为8.8 ps,重复频率为18.5 MHz.硅超构表面结构内激发的THG信号穿过蓝宝石基底,被物镜2收集并经二向色镜滤波后输入到光电倍增管(PMT)或光栅光谱仪中,以测量其功率或波长信息.3 实验结果与讨论根据米氏共振理论,当入射电磁波在亚波长尺度的光学结构内发生电磁共振时,从共振中心散射的电磁波会沿特定方向出现增强现象[25].因此,在对超构表面结构的光学表征中,往往根据透射和反射信号出现的反常现象判断超构表面内是否发生共振效应以及确定共振中心波长.如图1(d)所示的实验测试光路,选用沿y方向偏振的线偏振连续激光作为入射光,在1530－1560 nm范围内对样品进行波长扫描,且扫描过程中入射光功率始终维持在0.2 mW.同时,分别利用两个红外光探测器实时记录不同波长入射光的透射以及反射信号强度.测量到的透射和反射谱如图2(a)所示.在1548 nm波长处,透射谱和反射谱分别出现极大值和极小值的情况,意味着前向散射光在该点出现增强.由此可以确定当抽运波长为1548 nm时,可在共振单元内部激发共振效应,共振峰半峰值宽度(FWHM) Δλ约为5.5 nm.另外,由于米氏共振单元具有L形,可保证其横向电偶极子和纵向磁偶极子的米氏共振模式发生重叠,使得共振单元间通过模式耦合形成法诺共振.因此,所获得共振线型呈现非对称的法诺线型,且相较单个L形共振单元,品质因子得到提高[13].图2 (a)超构表面在1530−1560 nm范围内的反射和透射光谱(T,透射谱;R,反射谱);(b)抽运波长与共振波长(1548 nm)重合时产生的THG信号峰;(c) THG信号相对于抽运光的功率依赖性;(d) THG强度分布的空间扫描;(e)不同抽运波长下THG 信号的光谱演化,插图为对谱线进行归一化后的结果;(f)对(e)中所有THG信号谱线进行能量积分的结果Fig.2.(a) Reflection and transmission spectra of the metasurface in the wavelength range of 1530−1560 nm (T,transmission spec−trum;R,reflection spectrum);(b) THG signal peak when the pump wavelength coincides with the resonant wavelength at 1548 nm;(c) power dependence of THG intensity;(d) spatial scanning of THG intensity distribution;(e) spectra of THG signals pumped with different wavelengths,and the inset shows the result of normalizing each line;(f) integral results for all THG spectra shown in panel (e).为了研究该共振效应对硅介质内三阶非线性效应的增强作用,实验上采用脉冲激光激发超构表面结构的THG信号.首先将激光器输出波长固定在位于共振波长中心的1548 nm,产生了如图2(b)所示中心波长约为516 nm的THG信号.保持抽运波长恒定,连续调节激光器的输出功率,得到如图2(c)所示的THG信号强度随抽运光功率的响应趋势,图中红色曲线为三次方拟合函数曲线,可以看出THG信号功率与抽运光功率间存在明显的三次方依赖关系.当形成二维阵列时,在单个共振单元法诺共振以及单元间局域场叠加补偿的共同作用下,阵列中心区域结构单元支持明确的法诺共振模式且电磁场增强显著.逐渐靠近阵列边缘时,结构单元支持的共振模式存在较大辐射损耗,使得电磁场增强较弱[13].因此,由超构表面增强的三次谐波将呈现与超构表面共振模式分布相同的中间强、边缘弱的空间分布特性,如图2(d)所示.为了进一步提高THG的增强效果,一方面,可以通过改变共振单元的非对称系数改进共振单元模场的辐射衰减,或者通过设计共振单元阵列的周期来扩大共振单元间模场的有效叠加区域等以增强超构表面在激发光波长处的电磁场分布.另一方面,可以构建在抽运激光和THG波长处均具有共振特性的超构表面,通过双共振模式进一步提高THG的增强效果.保持抽运光功率不变,通过测量THG信号强度随抽运波长的依赖性,进一步明确超构表面结构内所发生的共振效应对硅介质中所产生THG的增强效果.图2(e)给出了当抽运波长从1540 nm逐渐移动到1560 nm的过程中,所激发的THG光谱,测量过程中,所有入射波长对应的抽运激光功率均恒定为5 mW,经透镜聚焦后的光斑直径约为3 µm.由图2(e)光谱图可以看出,随着抽运波长的改变,THG信号在中心波长位置发生移动的同时,其强度表现出先增强后减弱的现象.为了更为直观地说明这种强度变化,对图2(e)中的每条THG谱线分别进行能量积分,结果如图2(f)所示.可以清楚地看到,当抽运波长位于共振中心位置(1548 nm)时,超构表面结构中的共振模式被激发,并通过其强烈局域的模场对硅中的THG过程进行增强,因此实现了最大的THG信号强度.随着抽运波长逐渐偏离共振波长中心,入射激光与共振模式不发生耦合,仅在单次通过硅超构表面过程中对THG进行激发,因此所产生的THG信号逐渐减弱并稳定到很低的强度.因此,通过对比波长位于1548 nm与远离1548 nm 的抽运激光在相同功率下所激发的THG信号,可以提取出超构表面结构的共振模式对THG的增强效果.计算得到的增强因子约为220.这种提取增强因子的方法,由于保持抽运激光聚焦在超构表面相同位置处,可以避免由于有效硅材料不同而引起的误差.该结果证明了所设计的超构表面内发生法诺共振效应时,结构内部的局域电磁场强度获得了显著增强,且利用这种增强效应可以有效提高硅介质内所激发的THG 信号强度.为了阐释和验证上述实验结果,根据所设计的超构表面结构参数利用有限元数值模拟软件(COMSOL)计算该结构发生共振时局域电磁场的分布特性,数值模拟模型为位于500 µm厚蓝宝石衬底上单晶硅(n=3.48)的16 × 15共振单元阵列,且x,y和z方向均使用完美匹配层.在入射端口设置沿y方向偏振的1530－1560 nm的宽谱平面偏振激发光.在波长扫描后,由所采用的COMSOL软件中的S参数得到超构表面的透射和反射谱线.图3(a)左侧展示了16 × 15阵列超构表面的模场分布,表明共振模场的分布主要集中在超构表面结构的中心区域.图3(a)右侧为对单个共振单元的电磁场分布的模拟结果,呈现出横向的电场分量(右上)以涡旋态的形式围绕在中心部位,而纵向的磁场分量(右下)则集中在电场分量的中央.这种强烈局域的电磁场模式与硅结构的重合可有效保证三阶非线性的增强.考虑到由L形结构的非对称性引起的各向异性,通过数值模拟的方式分析了样品透射光谱对入射光偏振方向以及透射信号偏振方向的依赖关系.数值计算了Txx (入射光具有x方向偏振,透射信号沿x方向检偏,余下同理),Txy,Tyx,Tyy四种透射谱线,结果如图3(b)所示.数值模拟结果表明,入射光的偏振方向沿x或y方向,均可在结构内激发出共振模式,但对应的共振波长相较约有4 nm的偏移.此外,无论是入射光的偏振沿x方向还是y方向,在结构中激发的共振模式所辐射出的透射信号能量在y方向偏振分量均更强.对比四组传输谱线,可以看出Tyy具有最大的传输率,因此实验上采用y方向偏振的入射光激发超构表面的共振模式,如图2(a)所示.进一步模拟计算了不同波长情况下超构表面结构内的局域电场分布,并分别计算该结构在y偏振入射情况下共振波长处反射和透射信号的远场辐射强度(无检偏情况下),结果如图3(c)所示.数值模拟所获得共振线型与实验结果相符,均为非对称的法诺线型,且具有接近的共振线宽.在此基础上,根据模拟得到的局域电场分布(Ex,Ey,Ez),结合硅材料的三阶非线性极化系数可以获得超构表面结构中激发的三阶非线性极化强度图3 (a)左图为超构表面电场在x−y平面内分布情况的数值模拟,右图为单共振单元横向的电场分量(右上)和纵向的磁场分量(右下);(b)样品各向异性透射谱的数值模拟;(c)透射、反射信号以及THG信号强度的数值计算结果Fig.3.(a) Numerical simulation of the distribution of electric field of the metasurface in the x−y plane;(b) numerical simulation of the anisotropic transmission spectra of the sample;(c) numerical simulation of reflection (R),transmission (T) spectra and intens−ity of THG signals.其中,ε0为真空中的电介质常数,i代表坐标方向分别代表单晶硅两个非0的三阶非线性极化系数,且为由(Ex,Ey,Ez)所决定的电场矢量.根据偶极子发射性质,并非所有极化信号都能被显微物镜收集,往往只有横向(沿x−y平面)极化对信号的收集产生贡献.因此,只考虑结构内的横向极化的情况下,系统收集到的三阶非线性极化响应I(3) 具有如下形式：不同激发波长对应的THG信号强度经归一化处理后由图3(c)中的黑色曲线所给出.该结果同样表现为当抽运波长在共振波长位置时THG信号强度达到最大,与实验测量结果相符.考虑到共振单元两臂(分别沿图1(c)中的x和y方向)具有不同的尺寸,当入射光的偏振方向发生改变时,每个共振单元可能产生不同的共振响应.因此,测量了该超构表面结构对入射光偏振方向的敏感特性以及所激发THG信号的偏振依赖性,结果如图4所示.实验中选择y方向为基准方向,入射光偏振方向相对于y方向的旋转角度由φ表示,如图4(a)所示.实验测量中,激光器输出波长为1548 nm的抽运光经过起偏器和半波片调制后可形成沿任意方向偏振的线偏振抽运光.透射/反射信号以及THG信号收集光路均无检偏器,即系统的透射/反射光信号和THG信号均直接由光电探测器收集.图4(b)展示了随着抽运光偏振态的改变,收集到的透射和反射信号的强度变化.可以看出,当抽运光偏振方向与共振单元宽臂(沿y方向)平行时,透射信号最强且反射信号最弱,消光比超过了10 dB;而当抽运光偏振光偏振方向与窄臂(沿x方向)平行时,反射信号达到最强,同时透射信号降到最低.该结果表明,当抽运光沿y方向偏振时能够最有效地激发该超构表面的共振效应,使得入射光向前向散射光的转化效率达到最高[28].同时,随着抽运光偏振方向由x方向至y方向转变的过程中,结构内的共振效应以及局域电磁场强度逐渐增强,并进一步表现为THG信号强度的提高,如图4(c)所示,THG 信号的消光比约为7 dB.值得注意的是,图4(b)和图4(c)中结果在90°情况下(入射光具有x方向偏振)均未能实现完全消光.该结果可以借助图3(b)中的模拟结果进行解释.虽然x方向偏振入射光激发出的共振模式与y方向偏振入射光激发的共振模式之间存在4 nm的中心波长差,但波长为1548 nm的x方向偏振入射光仍然可以激发出部分共振模式,使得透射信号和THG信号在x方向偏振入射光激发下仍可以测到.图4 (a)方位示意图;(b)实验测量透射/反射信号的偏振依赖性;(c)实验测量THG信号强度对抽运光的偏振依赖性;(d) THG信号的偏振检测Fig.4.(a) Orientation illustrated in the metasurface;(b) experimental measurement of polarization dependence of transmitted and reflected signals;(c) experimental measurement of the polarization dependence of THG signal intensity on pump light;(d) polariza−tion detection of THG signals.基于以上结果,将抽运光的偏振方向固定在y方向,实现结构内的最强共振激发效果,进而在THG信号收集光路上添加检偏器P2并对THG信号的偏振方向进行检测.如图4(f)所示,结果表明,当抽运光为沿y方向偏振的线偏振光时,THG信号光同样为沿y方向偏振的线偏振光,且其消光比达到15 dB.这些偏振相关特性意味着仅需要改变抽运光的偏振态或者共振单元的排列方式,即可有效地控制超构表面结构中所产生THG的强度或偏振方向,这将进一步为提高硅基超构表面的功能性提供新的思路.4 结论本文主要研究了利用超构表面结构对硅介质内三阶非线性效应的增强特性.理论和实验均证明了当激发超构表面结构的共振模式时,局域电磁场强度出现极大的增强,进而促进光与物质的相互作用.通过对硅基超构表面上THG的空间扫描并结合数值模拟,可确定这种增强效果来自于单个共振单元中米氏共振以及多个共振单元间模式耦合的共同作用.同时,THG对抽运波长的依赖性测量结果表明,当抽运波长与超构表面结构的共振波长一致时,THG信号的强度相比二者偏离时增强了220倍.此外,通过改变抽运光的偏振或L型共振单元的排列方向,可实现超构表面结构激发THG强度和偏振态的有效控制.因此,这种利用超构表面强烈增强硅介质中的三阶非线性效应,为开发硅基新型非线性光学器件提供了新的途径.参考文献【相关文献】[1]Priolo F,Gregorkiewicz T,Galli M,Krauss T F 2014 Nat.Nanotechnol.9 19[2]Koos C,Vorreau P,Vallaitis T,Dumon P,Bogaerts W,Baets R,Esembeson B,BiaggioI,Michinobu T,Diederich F,Freude W,Leuthold J 2009 Nat.Photon.3 216[3]Ji H,Pu M,Hu H,Galili M,Oxenlowe L K,Yvind K,Hvam J M,Jeppesen P 2011 J.Lightwave Technol.29 426[4]Rong H,Jones R,Liu A,Cohen O,Hak D,Fang A,Paniccia M 2005 Nature 433 725[5]Foster M A,Turner A C,Sharping J E,Schmidt B S,Lipson M,Gaeta A L 2006 Nature 441 960[6]Chen S,Rahmani M,Li K F,Miroshnichenko A,Zentgraf T,Li G,Neshev D,Zhang S 2018 ACS Photonics 5 1671[7]Boyd R,Fischer G 2001 Nonlinear Optical Materials (Oxford：Elsevier) p6237[8]Jung Y,Tong L,Tanaudommongkon A,Cheng J X,Yang C 2009 Nano Lett.9 2440[9]Wiecha P R,Arbouet A,Kallel H,Periwal P,Baron T,Paillard V 2015 Phys.Rev.B 91 121416[10]Soljačić M,Joannopoulos J D 2004 Nat.Mater.3 211[11]Bravo−Abad J,Rodriguez A,Bermel P,Johnson S G,Joannopoulos J D,Soljačić M 2007 Opt.Express 15 16161[12]Martemyanov M G,Kim E M,Dolgova T V,Fedyanin A A,Aktsipetrov O A,Marowsky G 2004 Phys.Rev.B 70 073311[13]Campione S,Liu S,Basilio L I,Warne L K,Langston W L,Luk T S,Wendt J R,Reno J L,KeelerG A,Brener I,Sinclair M B 2016 ACS Photonics 3 2362[14]Yan J H,Liu P,Lin Z Y,Wang H,Chen H J,Wang C X,Yang G W 2015 mun.6 7042[15]Wang L,Kruk S,Koshelev K,Kravchenko I,Luther−Davies B,Kivshar Y 2018 Nano Lett.18 3978[16]Markovich D,Baryshnikova K,Shalin A,Samusev A,Krasnok A,Belov P,Ginzburg P 2016 Sci.Rep.6 22546[17]Albella P,Shibanuma T,Maier S A 2015 Sci.Rep.5 18322[18]Yuan Q,Fang L,Fang H,Li J,Wang T,Jie W,Zhao J,Gan X 2019 arXiv：1904.06027[physics.optics][19]Boltasseva A,Atwater H A 2011 Science 331 290[20]Staude I,Schilling J 2017 Nat.Photon.11 274[21]Bar−David J,Levy U 2019 Nano Lett.19 1044[22]Khorasaninejad M,Aieta F,Kanhaiya P,Kats M A,Genevet P,Rousso D,Capasso F 2015 Nano Lett.15 5358[23]West P R,Stewart J L,Kildishev A V,Shalaev V M,Shkunov V V,Strohkendl F,Zakharenkov Y A,Dodds R K,Byren R 2014 Opt.Express 22 26212[24]Chong K E,Staude I,James A,Dominguez J,Liu S,Campione S,Subramania G S,Luk TS,Decker M,Neshev D N,Brener I,Kivshar Y S 2015 Nano Lett.15 5369[25]Mie G 1908 Ann.Phys.-Berlin 330 377[26]Wynne J J 1969 Phys.Rev.178 1295[27]Jha S S,Bloembergen N 1968 Phys.Rev.171 891[28]Yang Z J,Jiang R,Zhuo X,Xie Y M,Wang J,Lin H Q 2017 Phys.Rep.701 1。
杜晓松、王涛、顾德恩-电子科技大学光电学院
专家：许向东（组长）、黎威志、杨亚杰时间：5月3日（周四）上午9:00地点：二教215人员：如下：专家：谢光忠（组长）、王军、太惠玲时间：5月7日（周一）上午8:30地点：光电楼409学术厅人员：如下：专家：钟建（组长）、曹贵川、林慧时间：5月8日（周二）上午8:30 地点：二教205人员：专家：陈文彬（组长）、李军建、张磊时间：5月2日（周三）上午8:30地点：二教110人员：如下：专家：祁康成（组长）、蒋向东、蒋泉时间：5月4日（周五）上午8:30地点：二教303人员：如下：专家：张晓霞、岳慧敏、张行至时间：5月3日（周四）下午3:00 地点：二教203人员：如下：专家：李和平（组长）、兰岚、陈德军时间：5月7日（周一）下午2:30 地点：光电楼409人员：如下：专家：刘爽（组长）、欧中华、王卓然时间：5月4日（周五）下午2:30地点：二教201人员：专家：廖进昆（组长）、唐雄贵、王云祥时间：5月7日（周一）下午2:30地点：二教215人员：专家：周晓军（组长）、董洪舟、张尚剑时间：5月2日（周三）下午2:30地点：光电楼409人员：专家：补世荣（组长）、漆强、杨昕梅时间：5月3日（周四）下午2:30地点：二教206人员：专家：王占平（组长）、杨洪平、曾成时间：5月3日（周四）下午2:30地点：光电楼409人员：专家：唐普英（组长）、何其锐、宁俊松时间：5月3日（周四）下午2:30地点：二教408人员：专家：周鹰（组长）、刘娟秀、杨立峰时间：5月3日（周四）下午2:30地点：二教207人员：专家：杨春平（组长）、汪平河、杨先明时间：5月2日（周三）下午2:30地点：二教110人员：专家：高原（组长）、周建华、张靖时间：5月4日（周五）上午8:30 地点：二教210人员：。
绝缘层上ge（goi）材料及si基ge波导型探测器研究
厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规范（试行）》。
另外，该学位论文为（）课题（组）的研究成果，获得（）课题（组）经费或实验室的资助，在（）实验室完成。
（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。
）声明人（签名）：伽寅·姘加｝弓年６月ｇ日摘要绝缘层上锗（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ—ｏｎ．Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，ＧＯＩ）由于结合了Ｇｅ材料及Ｓ０１材料各自的优点，是近年来兴起的、极具吸引力的ｓｉ基新型材料。
ＧＯＩ材料不仅具有高的电子和空穴迁移率，在通信波段有较高吸收系数，同时能够很好地解决体Ｇｅ材料在器件中的不足，从而在微电子和光电集成方面具有广阔的应用前景。
基于ＧＯＩ材料的波导型探测器，由于集合了ＧＯＩ的优良特性及波导型结构的优势，能够同时实现高量子效率和高带宽，从而有效提高探测器性能。
因此，开展ＧＯＩ材料的制备及Ｇｅ波导型探测器的研制工作具有重要的意义。
本文利用智能剥离技术结合键合方法制各了ＧＯＩ材料，研究其材料特性，并开展了Ｓｉ基Ｇｅ波导型探测器关键制备工艺的研究，论文的主要内容及创新点如下：１、利用ＲＳｏｔｔ软件对不同结构的Ｇｅ波导型探测器进行模拟优化。
模拟结果表明，端面耦合结构可以有效地缩短探测器的吸收长度．但所需ＳＯｔ波导截面面积小，光纤与波导的耦合损耗较为严重；基于实验室工艺条件，我们设计了混合型耦合结构的Ｇｅ波导探测器，在考虑光纤与波导耦合损耗的情况下，当Ｇｅ层厚度为０．９９ｕｍ，器件长度为１００ｕｍ时可吸收８０％的光，理论带宽为２５ＧＩ－／ｚ。
２、系统研究了氢离子注入功率密度对Ｇｅ晶格应变、内部徽结构变化及剥离质量的影响。
发现当注入功率密度较小时，Ｇｅ晶格存在应变，得到了应变随深度的分布，该分布与Ｈ离子在Ｇｅ中的浓度有着密切的关系：随着注入功率密度变大，由于注入过程的自加热效应显著，使得由氢离子注入引起的应变逐渐弛豫，晶体内部出现马赛克结构，而且注入区的Ｈ小平面也已扩展成为ｌｌａｎｏ裂纹，甚至微腔，这些都将导致注入样品在退火后无法成功实现剥离。
硅光电子器件的设计与集成优化
硅光电子器件的设计与集成优化在现代科技发展的浪潮中，硅光电子器件的设计与集成优化变得越来越重要。
硅光电子器件是利用硅材料的光电效应实现光与电之间转换的器件，它具备高速、低功耗、可集成等优势，被广泛应用于通信、信息技术、医疗、能源等领域。
本文将详细介绍硅光电子器件的设计与集成优化方法和技术。
一、硅光电子器件的设计硅光电子器件的设计是指在硅基材料上设计出符合特定功能需求的器件结构和工艺。
典型的硅光电子器件包括光电二极管、光电晶体管、光波导器件等。
它们都涉及到光的吸收、发射、传输等光学特性，同时也需要考虑器件的电学特性，比如电流、电压等。
在设计过程中，需要综合考虑光学、电学、力学等多方面的因素。
在硅光电子器件的设计中，最重要的一项工作是设计出合适的器件结构和材料。
硅光电子器件一般采用单晶硅材料制备，其具有优异的光电性能和可靠性。
同时，还可以利用纳米加工技术对硅材料进行微观加工，以实现更高的器件性能。
此外，还需要选择合适的光学和电子组件，如镜片、透镜、光电探测器、放大器等。
这些组件的选取对器件的性能和功能具有重要影响。
在设计过程中，还需要考虑硅光电子器件的工艺制备。
硅光电子器件的制备工艺一般包括掩膜光刻、沉积、蚀刻等步骤。
这些步骤需要严格控制工艺参数和条件，以保证器件的良好性能和制备的一致性。
在制备过程中，还需要考虑材料的选择和加工工艺对器件性能的影响。
二、硅光电子器件的集成优化硅光电子器件的集成优化是指将多个硅光电子器件集成在一起，以提高整体性能和功能的操作。
硅光电子器件的集成优化涉及到器件的布局、互联和封装等问题。
在硅光电子器件的布局优化中，需要合理设计器件的位置和尺寸。
不同硅光电子器件之间可能存在相互干扰和耦合的问题，因此需要考虑器件之间的间距和位置关系，以减小干扰和提高器件的相互作用效率。
此外，布局优化还需要考虑整体电路和尺寸限制等因素。
在硅光电子器件的互联优化中，需要设计合适的电路连接和信号传输方式。
硅光电倍增器SiPM研究进展
硅光电倍增器(S i PM)研究进展殷登平、胡春周、胡小波、张l词青、梁琨、杨茹、韩德俊’ 北京师范大学核科学与技术学院，北京市辐射中心，北京，100875摘要：文章对当今弱光探测领域的一个研究热点，具有替代传统光电倍增管潜力的半导体探测器一硅光电倍增器(SiPM)进行了介绍，报道了一种利J}j衬底体电阻作为淬灭电阻的新结构SiPM的研制结果。
这种新结构SiPM的面积为0．5mmx0．5mm，APD单元密度104／mm2，单光子分辨本领良好，增益为105量级，在460nm波长处的最大探测效率达到25．6％，室温暗计数率为1．5MHz，光学串话4．2％。
实验结果显示，这种新结构SiPM能够较好地缓解现有SiPM存在的高探测效率与高动态范围不能兼得的矛盾，光学串话较小，且制作工艺较为简单。
关键字：硅光电倍增器，淬灭电阻，弱光探测，盖革模式APD弱光探测器技术在高能物理、天体物理及核医学成像等领域具有非常重要的应用。
目前应用最广泛的弱光探测器主要是光电倍增管(PMT)。
但PMT体积大、T作电压和功耗高、容易损坏、受光阴极限制探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，限制了它在许多场合的应用。
上世纪九十年代俄罗斯从事核探测器研究的科学家提出了一个后来被称作硅光电倍增器(Si li co n pho to m u lt i p l ier-SiPM)的探测器概念受到弱光探测领域研究人员的高度关注，已经成为弱光探测器技术领域的一个研究热点u刈。
SiPM又被称为MPPC(Multi—Pixel Ph ot on Counter)或MAPO(Multi—Pixel A v a la n c he P ho t o n Detector)。
它由成百上千个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)单元构成，每一个APD单元都串联一个约几百千欧姆的电阻用以控制APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。
由于APD单元工作在反向击穿电压之上，当某一个A P D单元接收到一个光予时，所产生的光生载流子将触发雪崩击穿，光电转换增益可达l0 5一l O 6。
SiSi_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究.doc
Si/Si_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究为突破硅基探测器在红外探测中由硅本征禁带宽度导致的1104 nm波长截止,设计出比现阶段普遍使用的稀土元素红外探测器(如In Ga As探测器)成本更低、噪声更小、兼容性更好的硅基量子阱雪崩红外探测器。
本文通过Silvaco TCAD进行模拟仿真以设计近红外短波吸收增强型APD,并将Si/Si1-xGex量子阱量子阱结构加入APD的吸收区进一步提高长波长范围的吸收率并拓宽APD的响应范围。
最终达到优化硅基APD增强红外吸收的目的。
作为研究的第一步利用Athena 工艺仿真模块设计模拟流片制备外延12μm APD的整个工艺过程,并利用Atlas对APD内部结构可以直接设定的优势仿真10μm吸收区的APD探测像元。
对比12μm吸收区APD探测像元和吸收区为10μm的APD探测像元的光谱响应,得出了吸收区10μm的SACM结构吸收峰在0.5μm处,而吸收区厚度加厚的12μm外延层APD探测像元具有宽谱响应并在0.8μm 1.1μm的近红外区保持着较大的光电流,由此验证了更大的吸收区域使更多的光子尤其是长波长光子在器件较深的吸收区被吸收。
在以上10μm APD器件基础上加入Si/Ge异质结量子阱结构并仿真其光电特性,得到了Ge/Si/Ge异质结量子阱APD光电流比暗电流提前10V击穿的结果,这意味着在光信号雪崩放大时暗电流尚未倍增,有效地抑制了噪声。
通过比较双异质结量子阱APD和6层Ge的量子阱APD的光谱得出Ge层数的增加使光谱峰红移0.05μm,但是Ge层数的增加使异质结表面位错增加,降低了载流子输运。
基于以上研究考虑将Si/Ge异质结量子由失配度更小的Si/Si1-xGex量子阱代替引入器件的吸收区。
通过讨论加入含Ge的量子阱结构在工艺温度上所需要注意的问题设计了低温推结的工艺的无量子阱硅基APD对照组,并在吸收区加入Si/Si1-xGex量子阱结构仿真得到了它们的光电特性。
硅基光电探测器的研发及应用
硅基光电探测器的研发及应用硅基光电探测器是一种重要的光电检测器，具有高速、高灵敏度、低噪声、低功耗等优点，被广泛应用于光纤通信、光电传感、微波光电等领域。
一、硅基光电探测器的原理和种类硅基光电探测器利用材料吸收光子的能量，从而产生电子空穴对，经过扩散和漂移运输，形成电流信号。
硅基光电探测器根据光电转换区域的不同，可分为PN结光电探测器、PIN结光电探测器、Avalanche光电探测器等。
PN结光电探测器是由PN结和光电转换区域组成，适用于高速短距离通信和高速光电传感；PIN结光电探测器在PN结的基础上加上一层无掺杂的硅层，具有高灵敏度和低噪声的特点，适用于长距离高速通信和高灵敏度光电传感；Avalanche光电探测器使用高周波电压大幅度增强上述PN结和PIN结的探测能力，适用于对弱光信号的测量和微弱光信号的放大。
二、硅基光电探测器的研发和应用硅基光电探测器的研发和应用是一个多学科的综合研究领域，涉及半导体材料、光学、电子学、微纳加工等多个方面的知识。
近年来，我国在硅基光电探测器的研发和应用方面取得了显著的进展。
首先，我国在硅基光电探测器的材料和制备方面取得了重要的突破。
通过多晶硅薄膜和金属有机气相沉积等技术，成功制备出了具有高灵敏度、高速度和低噪声的硅基光电探测器。
此外，微纳技术在硅基光电探测器的制造上也发挥了重要的作用，使硅基光电探测器在尺寸、灵敏度和稳定性等方面得到了大幅提升。
其次，我国在硅基光电探测器的应用领域也取得了显著的进展。
硅基光电探测器广泛应用于光通信、光传感、信息安全等领域。
在光通信领域，硅基光电探测器的应用可以提高光通信的速度和距离，推动高速光通信技术的发展；在光传感领域，硅基光电探测器的应用可以实现高灵敏度的光电传感，提高环境监测、生物检测等领域的检测精度和效率；在信息安全领域，硅基光电探测器的应用可以实现光量子密钥分发，提高信息传输的安全性和保密性。
三、硅基光电探测器的未来发展随着信息技术的快速发展和应用需求的不断增加，硅基光电探测器的研发和应用也呈现出高速发展的趋势。
硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟
２ 器 件 结 构 设 计
图 １是 波导共 振 增强 型光 电探测 器 的 三维结 构
示 意图 ． 该结 构 包 括 在 绝 缘 体 上 硅 （ ＯＩ 衬 底 上 制 Ｓ ） 作一 脊 型 ＳＧｅ波导 ， 为吸 收 区 ， ｉ 作 材料 为 ２ ０周 期 的 Ｓ０５ ０５６ ｍ） Ｓ（ ０ ｍ） ｉ６Ｇｅｌ （ ｎ ／ ｉ２ ｎ 多量 子 阱 ． 波导 的传 ｌ ３ 在
ｌ 引言
随 着光 通信 事业 的不 断发 展和半 导体 新材 料 的 不 断开 拓 ， 以光纤 通信 、 互连 为代 表 的光 电子集 成 光 技术对 半导 体光 电子 器件 和 电路提 出 了越来 越严 格 的要求 ．其 中一 个课 题就 是如 何 以成熟 的硅 工艺 技 术为 基础 ， 利用 新原 理和新 材 料 ， 在硅衬 底上 直接 制 作与 硅微 电子工 艺 兼 容 的 、 在 近 红外 波 段 （ ． ～ 能 １３ １ ５ 有效工 作 的高性 能价 格 比 的硅基 光 电探 测 ． ５ ｍ） 器及 其集 成器 件 ． ＳＧｅ是 间接 带 隙 材 料 ， 收 系数 非 常 小 ， 此 ｉ 吸 因 普通 型 的 ＳＧｅ 测器 量子 效率 非常 低 ， 法达 到 实 ｉ 探 无 用 化 ． 了提 高 ＳＧｅ探 测 器 量 子 效 率 ， 常 采用 的 为 ｉ 通 器件结 构 有 ： １ 采用 波导 结 构［ ］ 实 现 对 入射 光 （） １ ， 的完 全吸 收 ．但 是用 这种 方法 制作 的器 件 的尺 寸通 常很 大 ， 毫米 量级 ， 约 响应 速度 小 ， 有从 根 本 上 解 没 决 响应 频 率与 量子 效 率 的 矛盾 ． 且 由于波 导 层 较 而 薄 ， 合效 率也 是一 个 限制 因素 ， 利 于硅 基光 电子 偶 不 器件 的集 成 ．２ 采 用 雪 崩倍 增 探 测 器Ｌ ， （） ３ 利用 其 具 ］ 有 内部增 益 的特点 ， 现量子 效 率 的提 高 ． 是 在一 实 但 般情 况下 雪 崩 噪 声 大 ， 材 料 质 量 要 求 高 ， 难 在 对 很 ＳＧｅ 延 材 料 中 实 现 ． ３ 采 用 共 振 腔 增 强 型 ｉ 外 （） （ Ｃ 结构 ， 结 构最 早 由 Ｃ ｉ Ｒ Ｅ） 该 ｈ ｎ和 Ｃｈ ｎ ￣ 出 ， ａｇ 提 用 于提 高探 测器 的 的量子效 率 ， 由于受 Ｓ 与 ＳＧｅ 但 ｉ ｉ 晶格 失 配 的影 响 ， ｉ ＳＧｅ层 的 厚 度 受 到 临 界 值 的 限 制， 理论 预 期 的量 子效 率 为 ２ ％ ， ０ 已经 被 实验 证 实
硅光子芯片原理
硅光子芯片原理引言：硅光子芯片是一种基于硅基材料的光电子集成电路，利用光子学原理来实现高速、低能耗的数据传输和处理。
它具有传统电子芯片无法比拟的优势，被广泛应用于通信、计算、传感和生物医疗等领域。
本文将从硅光子芯片的原理入手，介绍其工作原理、关键技术和应用前景。
一、硅光子芯片的工作原理硅光子芯片利用硅材料的光电效应和光波导效应来实现光信号的发射、传输和接收。
它的核心是由光源、光调制器、光波导、光探测器和电子驱动电路等组成的集成电路。
下面将逐一介绍其工作原理。
1. 光源光源是硅光子芯片的起点，它通常采用激光二极管或LED等器件。
激光二极管通过注入电流来激发产生激光，而LED则通过电压作用下的电致发光效应产生光信号。
2. 光调制器光调制器是硅光子芯片的关键组件，用于调制光信号的强度、相位或频率。
常用的光调制器有电吸收调制器和电光调制器。
电吸收调制器利用电流调制材料的吸收光强度来实现光信号的调制，而电光调制器则是利用电场调制材料的折射率来实现光信号的调制。
3. 光波导光波导是硅光子芯片中光信号传输的通道，它可以将光信号沿着特定的路径传输。
硅光子芯片常用的光波导结构有直波导、弯曲波导和耦合波导等。
光波导的结构和尺寸可以根据需要进行设计，以实现不同的功能。
4. 光探测器光探测器是硅光子芯片中光信号的接收器件，用于将光信号转化为电信号。
常用的光探测器有光电二极管和光电晶体管等。
光电二极管通过光生电流效应将光信号转化为电信号，而光电晶体管则是利用光生电流效应和内部放大作用来增强电信号的强度。
5. 电子驱动电路电子驱动电路是硅光子芯片中用于控制光调制器和光探测器的电路，它可以根据需要调节电流、电压和频率等参数。
电子驱动电路的设计和优化对硅光子芯片的性能和功耗有着重要影响。
二、硅光子芯片的关键技术硅光子芯片的实现面临着一些关键技术挑战，下面将介绍其中的几点。
1. 光源集成硅材料本身并不具备直接发光的特性，因此需要将光源与硅光子芯片进行集成。
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第27卷 第8期2006年8月半 导 体 学 报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27 No.8Aug.,20063福建省青年科技人才创新基金(批准号:2004J 021),回国留学人员基金,集成光电子学国家重点实验室和国家自然科学基金(批准号:60336010)资助项目通信作者.Email :lich @ 2006201207收到,2006203220定稿○c 2006中国电子学会硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟3陈荔群 李 成(厦门大学物理系半导体光子学研究中心,厦门 361005)摘要:Si Ge 是间接带隙材料,吸收系数非常小,因而Si Ge 探测器在红外波段的量子效率很低.本文提出一种新型的探测器结构,即波导共振增强型光电探测器,该器件主要由两个介质布拉格反射镜和波导吸收区构成,器件尺寸较传统波导型探测器大为减小,吸收区的长度不受Si Ge 临界厚度的限制,实现了量子效率和响应速度的优化.本文在数值模拟的基础上,对器件结构进行了优化设计,结果表明716μm 长的波导探测器可以得到20%以上的量子效率.关键词:Si/Si Ge ;波导共振增强型;探测器PACC :0670D ;4280S中图分类号:TN 304 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)08214762041 引言随着光通信事业的不断发展和半导体新材料的不断开拓,以光纤通信、光互连为代表的光电子集成技术对半导体光电子器件和电路提出了越来越严格的要求1其中一个课题就是如何以成熟的硅工艺技术为基础,利用新原理和新材料,在硅衬底上直接制作与硅微电子工艺兼容的、能在近红外波段(113～1155μm )有效工作的高性能价格比的硅基光电探测器及其集成器件.Si Ge 是间接带隙材料,吸收系数非常小,因此普通型的Si Ge 探测器量子效率非常低,无法达到实用化.为了提高Si Ge 探测器量子效率,通常采用的器件结构有:(1)采用波导结构[1,2],实现对入射光的完全吸收1但是用这种方法制作的器件的尺寸通常很大,约毫米量级,响应速度小,没有从根本上解决响应频率与量子效率的矛盾.而且由于波导层较薄,偶合效率也是一个限制因素,不利于硅基光电子器件的集成.(2)采用雪崩倍增探测器[3],利用其具有内部增益的特点,实现量子效率的提高.但是在一般情况下雪崩噪声大,对材料质量要求高,很难在Si Ge 外延材料中实现.(3)采用共振腔增强型(RCE )结构,该结构最早由Chin 和Chang [4]提出,用于提高探测器的的量子效率,但由于受Si 与Si Ge 晶格失配的影响,Si Ge 层的厚度受到临界值的限制,理论预期的量子效率为20%,已经被实验证实的最大量子效率仅为5%[5～7].本文提出了一种新型高量子效率的Si 基光电探测器,工作波长从可见到近红处波段.它结合了波导探测器与共振腔型探测器的优点,与传统波导探测器相比,器件尺寸大为减小,在相同的量子效率下可以得到更高的响应速度.与垂直共振腔结构探测器相比,吸收区的长度不受Si Ge 临界厚度的限制,可以灵活设计,从而达到优化器件的目的.2 器件结构设计图1是波导共振增强型光电探测器的三维结构示意图.该结构包括在绝缘体上硅(SO I )衬底上制作一脊型Si Ge 波导,作为吸收区,材料为20周期的Si 0.65Ge 0.35(6nm )/Si (20nm )多量子阱.在波导的传播方向上制作了两个数对Si Ge 量子阱层/空气分布布拉格反射镜,构成共振腔.入射光从波导的一端布拉格反射镜输入,在波长和腔体的模式相匹配的情况下,光顺利进入腔体,在两反射镜之间构成的共振腔中发生共振吸收,从而有效地把入射光转换为载流子,光电流由波导上、下接触层电极引出.入射光通过光波导和共振腔共同实现三维限制,从而提高探测器的量子效率;反之,如果波长和腔体模式不匹配,那么大部分入射光将被反射,即探测器对此波长的光没有响应,因此器件具有波长选择特性及增强作用.适用于波分复用集成光探测技术.第8期陈荔群等: 硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟图1 波导共振增强型光电探测器的三维结构示意图Fig.1 Schematic of the resonant 2cavity 2enhancedwaveguide photodetector2.1 布拉格反射镜的设计布拉格(Bragg )反射镜的设计是整个器件设计的重点,为了得到比传统探测器高的量子效率,设计的方案是在Si Ge/Si 多量子阱波导型探测器的两端加上一定对数的布拉格反射镜,形成共振腔.布拉格反射镜的材料是根据增反膜原理选取的,在Si Ge 材料系中,可以选择Si/SiO 2,Si/air ,air/SiO 2及Si Ge/Si 等介质折射率相差较大的两种材料交替而成[8].为了在共振波长中能得到高反射率,布拉格反射镜介质膜层的厚度t 应为:t =(2k +1)λ4n, k 为整数其中 λ是工作波长;n 是材料的折射率.随着介质膜厚度的增加,布拉格反射镜的反射率谱宽也变窄,所以在设计中结合工艺要求应选择适当的厚度.本文中选择以Si Ge 量子阱层/air 作为反射镜,Si Ge量子阱的横向厚度为213μm ,air 层的厚度为213μm.对于不同对数的反射镜,其反射率也不同,图2是不同对数的布拉格反射镜的反射谱的模拟结果,其中中心工作波长为113μm.由图可以看出,取3对布拉格反射镜时,反射率可以达到99%.图2 不同对数反射镜的反射谱,中心工作波长为113μm Fig.2 Reflectivity sp ect ra of t he mirrors of variousp airs of Si Ge/air at t he center wavele ngt h of 113μm 2.2 吸收率数值模拟和吸收区的设计探测器由两个布拉格反射镜构成谐振腔,在腔中间夹着一定尺寸的波导层,入射光通过谐振腔,在特定的波长发生共振,使入射光在波导中充分的吸收,得到高的量子效率.设吸收区Si 1-x Ge x 的长度为d ,波导长度应选取为:nd =k λ2, k 为整数 波导层吸收率是根据矩阵传输方程来模拟的,多量子阱有源层作为一层来计算,为了精确模拟入射光在每一层的吸收,每一层用复折射率N i =n i -j k i 和厚度d i 来表征,Si 1-x Ge x 材料的折射率n i 由Si 和Ge 组分线性插值来确定,k i =αλ4π,每一层的特征矩阵为[9]:M i =cos (k 0h )isi n (k 0h )/Yi Ysin (k 0h )cos (k 0h ),Y =ε0μ0ncos θih=ndcos θi光从前布拉格反射镜的端面入射,在多层结构中传播到最后一层,场强关系为:E OD E O T=M 11M 12M 21M 22E SD E S T,E OD ,E O T :空气中前、后行波E SD ,E S T :底层中后、前行波式中 M 11M 12M 21M 22为总传输矩阵.传输矩阵将场强的切向分量从空气传到衬底,器件的反射率R ,透射率T ,吸收率A 分别表示为:R =M 21M 112T =n sn 0×1M 112A =1-R -T式中 n 0,n s 分别为空气和底层的折射率.根据共振腔增强型探测器的原理[10],器件的后布拉格反射镜的反射率值通常要求较高,前布拉格反射镜的反射率值要根据材料的吸收性质而定.图3是对不同对数的前反射镜构成的共振腔探测器模拟得到的吸收率,其中后反射镜具有三对介质层,其反射率为99%,与前反射镜的反射率R 1、吸收系数α、有源层厚度d 的关系为R 1=R 2e -2αd[10].Si 0.652Ge 0.35/Si 多量子阱波导芯的吸收系数在113μm 处取优化值:αneff =ατ=113cm -1,τ为该波导的光场限制因子.从图中可以看出,前布拉格反射镜的介质层仅取1对时,对113μm 波长最大的吸收率可达到7741半 导 体 学 报第27卷86%,波导长度的最优值为716μm.若前布拉格反射镜的介质层仅取0对时,对113μm 波长最大的吸收率可达到90%,波导长度的最优值为30μm.为了比较,在图3中画出相同材料的传统波导型探测器的量子效率。
可以看出,优化后的具有共振腔结构的探测器,在113μm 处的量子效率比相同尺度的传统波导型探测器提高近10倍.图3 采用不同对数的前反射镜,量子效率与腔长的关系Fig.3 Quantum efficiency of photodetector versus thecavity length with various pairs of f ront mirror2.3 波导的光场限制用BPM 波束传播方法三维模拟脊型波导结构TE 光场的分布如图4所示.模拟中所用参数为波导宽度10μm ,脊高110μm.可以看出,设计的波导为单模传播,光场主要分布于Si Ge/Si 多量子阱所在的区域,在材料生长方向得到光场限制因子为84%.图4 脊型波导探测器单模TE 模场分布Fig.4 Distribution of TE mode of the Si Ge/Si ribwaveguide photodetector3 结果与讨论Si Ge 波导共振腔增强型探测器光响应谱示于图5,该探测器具有好的波长选择特性和高的量子效率.在113μm 处,内量子效率可以达到86%以上,半高宽小于1nm ,适合于密集波分复用系统使用.在端耦合的情况下,假设入射光为高斯光束,则耦合效率大约为23%,有望得到20%以上的量子效率.传统波导型探测器要达到较高的量子效率,波导的长度需毫米量级,因此增加共振腔后器件的面积将大为减小.图5 Si Ge 波导共振腔型探测器量子效率和波长的关系Fig.5 Dependence of quantum efficiency on wave 2length of Si Ge resonant 2cavity 2enhanced waveguide pho 2todetector在pin 结构探测器中,影响器件响应速度的因素有:(1)耗尽层渡越时间;(2)探测器本征和寄生的电容放电时间(RC 时间常数);对于波导共振腔增强型探测器,由于载流子的传输方向与光波导方向垂直,载流子渡越时间主要由外延层的厚度决定,该厚度小于1μm ,在应用反向偏压时,载流子渡越时间达到p s 量级.因此探测器的响应速度主要由器件的电容(即面积)决定.10μm 宽,716μm 长的波导吸收区,估算响应频率可达到30GHz 以上.4 结论本文提出并设计了一种Si Ge 波导共振腔增强型光电探测器,该结构在Si Ge/Si 多量子阱波导的两端制作两组反射镜,从而在小尺寸(10μm 量级)波导内对特定波长的入射光得到共振增强,模拟结果表明该探测器具有高频和高的量子效率,716μm 长的波导探测器量子效率可达到20%以上,且具有良好的波长选择特性,半高宽小于1nm.这种器件结构适合于具有间接带特性的Si 基光电探测器.参考文献[1] Temkin H ,Pearsall T P ,Bean J C ,et al.Ge x Si 1-x strained 2layer superlattice waveguide photodetectors operating near 113μm.Appl Phys L ett ,1986,48(15):963[2] Li B J ,Li G Z ,Liu E K ,et al.Monolit hic i ntegration of aSi Ge/Si modulat or a nd multiple qua ntum well p hot odetect orf or 1155μm op eration.Appl Phys L ett ,1998,73(24):35048741第8期陈荔群等: 硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟[3] Shi J W,Liu Y H,Liu C W.Design and analysis of separate2absorption2transport2charge2multiplication traveling2wave ava2la nche p hot odetect ors.J Lightwave Technol,2004,22(6):1583[4] Chin A,Cha ng T Y.Multilayer reflect ors by molecular2bea mepitaxy f or resona nce enhanced absorption in t hin high2speed detect ors.J Vac Sci Technol B,1990,8(2):339[5] Li C,Ya ng Q Q,Wang H J,et al.Si1-x Ge x/Si resonant2cavi2t y2enha nced p hot odetect ors wit h a silicon2on2oxide reflect orop erating near113μm.Appl Phys L ett,2000,77(2):157 [6] Ra ma m A,Chowdhury G K,Chua S J.A n app roach t o t hedesign of highly selective resona nt2cavity2enha nced p hot ode2tect ors.Appl Phys L ett,2005,86(17):171104[7] Li Chua nbo,Mao Rongwei,Zuo Yuhua,et al.Fabrication ofSi Ge/Si multi2qua ntum wells resona nt2cavity2enha nced de2tect or.Chinese J our nal of Se miconduct ors,2004,25(12):1576(in Chinese)[李传波,毛荣伟,左玉华,等.Si Ge共振腔增强型探测器的制备.半导体学报,2004,25(12):1576] [8] Mao Rongwei,Zuo Yuhua,Li Chua nbo,et al.Fabrication of115μm Si2based resona nt cavit y enha nced p hot odetect ors.Chinese J our nal of Se miconduct ors,2005,26(2):271(in Chi2nese)[毛荣伟,李传波,左玉华,等.硅基1155μm共振腔增强型探测器.半导体学报,2005,26(2):271][9] Bor n M,Wolf E.Principles of optics.Oxf ord:Perga mon,1991[10] Ulun M,St rite S.Resonant cavity enha nced p hot onic de2vices.J Appl Phys,1995,78:607Design and Simulation of Si2B ased R esonant2C avity2E nhancedW aveguide Photodetectors3Chen Liqun and Li Cheng(S emiconductor Photonics Research Center,Depart ment of Physics,X i amen Universit y,X i amen 361005,China)Abstract:We p rop ose a novel Si Ge resonant2cavity2e nhanced p hot odetect or t hat operates at113μm.The device is comp osed of two B ragg reflect ors a nd a waveguide absorp tion p ared t o conve ntional waveguide p hot odetect ors,t he device can be designed wit h a small e nough area f or high2sp eed op eration.The limitation of t he Si Ge critical t hickness is circumve n2 ted,a nd t he p hot odetect or is exp ected t o have high quantum efficie ncy.The st ructure is op timized t hrough numerical simula2 tion a nd a qua ntum efficiency of20%is expected wit h a716μm2long waveguide.K ey w ords:Si/Si Ge;resona nt2cavity2enhanced waveguide;p hot odetect orPACC:0670D;4280SArticle ID:025324177(2006)08214762043Project supp orted by t he Innovation Projects f or Young Scientific Researchers of Fujia n Province(No.2004J021),t he Scientific Research Foundation f or t he Retur ned Overseas Chinese Scholars of t he State Education Minist ry,a nd t he National Natural Science Founda2 tion of China(No.60336010)Corresp onding aut hor.Email:lich@ Received7J a nuary2006,revised ma nuscrip t received20March2006○c2006Chinese Institute of Elect ronics9741。