从GFP2011看硅光子学的进展

Ｒｅ ｅ ｔ ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ｓｌ ｎ ｐ ｏ ｏ ｉ ｓ ｉ ｃ ｎ ｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｉｉ ｈ ｔ ｎ ｃ ｎ ＧＦＰ ０ ｏ ２ １ １
ＣＨＥ Ｙｕ ｎ ｙ ａ ＹＵ Ｊｎ ｚ ｏ ｇ Ｎ ａ —ｕ ｎ ． ｉ —ｈ ｎ （ ． ｏｌ ｅｏ ｏ ｐ ｔ ｎ ｎｏ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇＢ ｉｎ ｅｈｏｏｙａｄＢ ｓ ｅｓ ｎｖｒｔ， ｅｉｇ１０ ４ ，ｈｎ ； １Ｃ ｌ ｇ ｆ ｍ ｕｅ ａｄＩｆｒ ｉ ｎｉ ｅｉ ， ｅｉｇＴ ｃｎｌｇ ｎ ｕｉ ｓ ｉｅｓｙＢ ｉｎ ０ ０ ８ Ｃ ｉａ ｅ Ｃ ｒ ｍａ ｏ ｎ ｎ ｊ ｎ Ｕ ｉ ｊ
鍪 ℃ ｉ 盆 ℃ ｌ 帖 ℃ Ｉ ： ℃ — ８
度变化时共 振波长 向长波 方 向移 动 ， 值大 约为 其
＋ ．７ ｍ ￣ 在 不 提 供 外 加 热 调 节 机 制 的 条 件 ００７ｎ ／３，
下， 完全 能够 适应 环境 温 度 的变 化 ， 图 ７所 示 ， 如 在 ２ 【和 ５ ５ｃ ＝ ５℃ ，０ Ｇ ／ 的速率 下 中均可 以获得 清 晰 １ ｂ ｓ
艺更 为硅 光子 学提供 了坚实 的技术 基础 。根据 第 八届 Ⅳ 族 光 子 学 国 际会 议 的信 息 ， 文章 综 述
了硅 基 光 波 导技 术特 别 是 Ｓ Ｉ 波 导技 术 研 究 的最 新进 展 ， 重介 绍 了光 调 制器 、 波长 光 Ｏ 光 着 亚 栅、 混合 集成 、 封装 以及 波导加 工等 方 面的新 理念 与新 方法 。
２ ＳａｅＫ ｙＬ ｂｒｔ ｙｏ ｐｏｌ ｔ ｎ ｓＩｓ ｔ ｅｏ ｅ ｉ ｎ ｕｔｒ， ｈｎｓ ｃｄｍ ｆ ｃｅｃｓＢ ｉｎ ０ ０ ３ Ｃ ｉａ ． ｔ ｅ ａｏａ ｒ ｎＯ ｔ ｅ ｒ ｉ ， ｔｕ ｆ ｍ ｃ ｄｃｏ Ｃ ｉｅｅＡ ａｅ ｙｏ Ｓｉｎｅ ，ｅ ｉｇ１０ ８ ， ｈ ） ｔ ｏ ｅ ｃｏ ｃ ｎ ｉｔ Ｓ ｏ ｓ ｊ ｎ
又会 增 加 额 外 的静 态 功 耗 。Ｓｏ—ｗ ｎＪｏｇ等 人 ｅｋＨ ａ ｅｎ
报 道 了集 成 了级 联 的 ＭＲ 的 ＭＺ调 制 器 的外 腔 激 Ｒ
层 为 Ｓ８聚合物 ， ｕ 折射 率为 １５ 。Ｐ ．６ ＷＢ的跨 度距 离
约为 ８ ｍ， 芯 片 间 间隙 约为 ２ ｍ。测 量 Ｐ ０Ｉ 两 ｘ ０ ＷＢ 度 的 机 械 对 准 ， 可 能 实 现 高 自 动 化 程 度 的 产 有
基 金项目： 北京市属高等学校科学技 术与研究生 教育创新 工程 建 设 项 目（ ｏ Ｐ Ｍ２ １ ＿ １２ ３ １３ ３ ） 助 。 Ｎ ． Ｘ ０ １０ ４ １— １６ ４ 资 作者 简介 ： 陈媛嫒 （９ ９一） 女 ， 士， １７ ， 博 副教 授 ， 主要从事半 导体 光波导器件的研究 。Ｅ ｍａ ：ｈｎ ｙ＠１３ ｃｍ — ｉ ｃ ｅ．Ｙ ６ ．ｏ ｌ 收 稿 日期 ：０ １１－９； 订 日期 ：０ ２ －８ ２ １ —２２ 修 ２ １ ￣１１
能好 ； 成熟 的微 电子 工 艺 兼 容 等优 点 。虽 然 硅 材 与 料也 存 在发光 困难 ， 电光 系数小等 缺 陷 ， 一定 程度 上 阻碍 了其发 展速 度 。但 硅仍 不失 为一种 非 常有潜 力 的光子 学材 料 。通过 自由载流子 色散 效应 进行 电光 调 制和 混合集 成 的方式 ， 在光 子 学 领 域仍 然 是 大 硅
有 可为 的。本 文 概 述 了 Ｇ Ｐ ０ １上 报 道 的 硅 光 子 Ｆ２１
已于 ２ １ 年 ９月 １ 日到 １ 日在 英 国伦 敦 召开 。 ０１ ４ ６
该 系列 会议 自 ２０ 首届 举办 以来 ， 与的研 究 团 ０４年 参 体越来 越 多 ， 议 收到 的论文 数从 首届 的 ７ 会 ０多篇 逐
ｗ ｖｇｉｅｔ ｈｏ ｇ ｓｅｉ ｌ ｔｅＳ Ｉ ｓｉｏ— — ｓ ａｅ）ｅｈ ｏ ｇ ｅｏ ｅ ｎＧ Ｐ０ ｈｓｂ ｅ ｖｒｉ ｅ ． ａｅｕｄ ｃｎｌ ｙｅｐｃ ｙ ｈ Ｏ （ｉｃｎｏ ｉ ｕ ｔｒ ｔ ｎｌｙ ｒｐａ ｄｏ Ｆ ２ １ ａ ｅｎｏｅｖ ｗ ｄ ｅ ｏ ｌ ａ ｌ ｎ ｎｌ ｃ ｏ １ ｅ
的眼 图 。
（ ） 子 线 连接 原 理 图 ａ光
＿ —－＿＿ ＿’， — ——＿ ＿一 —— —— —— ＿———— ＿ ，
ｃ『 ｉｈ 呲 ｃ（ ｗｒ） ｏ ｔｃｉｍ ｄｌｔｒ ｌ１ｇｔｇ ｅＴ ｏｋ ｐｉａ ｏｕ ａｏ （） ａ 由外 腔 激 光 器 和 光调 制 器 组 成 的 ＭＲ Ｒ基 光 发 射 机 的 示 意Βιβλιοθήκη Baidu图
Ｔ ｅ ｍｏ ｕ ａｏ ，ｕ ｗ ｖ ｌ ｎ ｔ ｒｔ ｇ ｈ ｂ ｄ ｉｔ ｇａｉ ｎ ｐ ｃ ａ ｉ ｇａ ｄ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓａ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｅ ａｌ ｈ ｄ ｌｔ ｒ ｓ ｂ ａ ｅｅ ｇｈ ｇ ａｉ ， ｙ ｒ ｅ ｒ ｔ ， ａ ｋ ｇｎ ｎ ｖ ｇ ｉ ｅｎ ｗ ｒｃ ｓ ｒ ｒｄ ｃ ｄ ｉ ｄ ｔｉ． ｎ ｉ ｎ ｏ ｎ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ： ＯＩ ｏ ｔ ａ ａ ｅ ｕ ｄ ； ｉ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ； ｈ ｔ ｎ ｃ ； Ｆ ２ １ ｙ ｗｏ ｄ Ｓ ； ｐ ｉ ｌｗ ｖ ｇ ｉ ｅ ｓｌ ｏ — ａ ｅ ｐ ｏｏ ｉ ｓ Ｇ Ｐ ０ ｃ ｉ １
品 。
光器 ， 图 ６所示 ， 如 发射机 组件 制作在 同样 的波 导结 构 上 ， 以实 现 １ｎ 的工 作 波长 范 围 ， 而保 证 了 可 ｍ 从
温 度变 化时光 源 和调制 器工作 波长 的 自动 匹配 。温
的 附加 损耗 近 似 为 ５ｄ Ｂ。光 子 线 连 接 不需 要 高 精
１ 引 言
有 晶片 尺寸 大 ； 学 、 热 电学性 能 良好 ； 易加工 ， 机械 性
第 八 届 Ⅳ族 光 子学 国际会 议 （ｈ Ｉ Ｅ ｔｒ ｔｅ８ Ｅ Ｅ Ｉ ｅ— ｎ
ｎｔ ｎ ｌ ｏｆｒｎｅｏ ｒｕ ｈｔｎｃ ， Ｆ ２ ） ａ ｏ ａ Ｃ ｎｅｅ ｃ ｎＧ ｏ ｐＩ Ｐ ｏ ｉｓＧ Ｐ ０ ｉ Ｖ ｏ １ １
ｊ
量
Ｉ 要
５ ℃ １ ５ ０Ｇ ｌ ０ 船 ｗａ ｅ ｅ ｇ ｈ ｎ ｖ ｌｎ ｔ ／ ｍ １９ ５０
会 影 响波导 的传输 损耗 。使用 热氧 化 的方法 在一定 程 度上 可 以减 小硅 波 导 表 面粗 糙 度 ， 要 求 高 温 的 但 加 工过程 。Ｊ ｇａ ａ 等人 报道 了使用 氢离 子 处理 ｉ ｎｎＣ ｉ ｎ 硅 波导 以获得 光滑 的表 面 。实验 中使用 氢和水 混合
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｉ ｃ ｎ ｉ ｉ ｄ ｏ ｌｃｒ ｎ ｍａｅ ｉｌ ａ ｄ ｉ ａ ｓ ｉｄ ｏ ｐ ｒ ｐ ａｅ ｐ ｏｏ ｔｒａ． ｔｒ ｓｒ ｃ ： ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｓ ｉｏ ｓａ ｋｎ ｆｅｅ ｔ ｔｒａ ， ｎ ｓ ｌｏ ａ ｋｎ ｆａ ｐ ｏ ｒ ｔ ｈ ｔｎ ｍａ ｅｉ Ｍａｕ ｅ ｌ ｏ ｉ １ ｍｉｒ —ｌ ｃｒ ｎｃ ｒｃ ｓｅ ｒｖ ｄ ｓ ｌ ｏ ｎ ａｉｎ ｆｒ ｓｌ ｏ ｈ ｔｎ ｃ ． ｈ ｅ ｅ ｔ ｒｇ ｅ ｓ ｆ Ｓ — ａ ｅ ｐ ｉａ ｃ ｏ ｅｅ ｔ ｉｓ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｉ ｅ ｏｉ ｆｕ ｄ ｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｐ ｏｏ ｉｓ Ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｐ ｏ ｒ ｓ ｏ ｉｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｌ ｏ ｄ ｏ ｉ ｃ
年增 长 到现在 的近 ２ ０篇 ， 响力 越来 越 大 。本 次 ０ 影
会议论 文 集 收录 的 １０余 篇论 文反 映 了国际 上 Ⅳ族 ３ 材料 在光 子学 与光 电子 学研究 领域 的最新技 术 和研 究进 展 。涵 盖 了调 制器 、 栅 、 波 器 、 感器 以及 光 滤 传 光发 射 、 光接 收器 件 的理论 研 究 、 值 模 拟 、 料 生 数 材 长、 工艺 进展 和集 成 应 用 等 多 个方 面 。会 议 规 模 的
扩 大与硅 光子 学 的迅猛 发展 是密 不可 分 的。近 十年 来 硅光 子学相 关论 文数 目和引用 次数 几乎 是呈 指数
学 的一 些最 新进 展 ， 别 是 对 器件 的工 作原 理 和 结 特
构 进行 了重 点分 析介 绍
２ 光 调制 器
。
光 调 制器是 近 年来在 Ⅳ族 光子 学领域 的研 究热
气 体在 ３ ０— ０ ａ气压 下注 入石 英 管 中处 理 硅 波 ５ ４０Ｐ 导， 实验 过程 中不 需 要 高温 加 热 。 图 ９显 示 了 氢离
善
１７ ５ｏ
子处 理前 后硅 波导 的 Ｓ Ｍ 照 片 ， 以看 到波 导 表 面 Ｅ 可
关键词 ：Ｏ ； 波 导 ； 基 ； 子学 ； Ｆ ２ １ Ｓ Ｉ光 硅 光 Ｇ Ｐ０ １ 中 图分 类 号 ：Ｎ ５ Ｔ ２２ 文献 标识 码 ： Ａ ＤＯＩ １ ．９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ －０ ８ ２ １ ．９ ０ １ ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ １５ ７ ．０ ２ ０ ． ０ ｓ
形 式增 长 。硅 作 为 一种 价 格 低 廉 的半 导 体 材 料 ， 具
９４ ７
激 光 与 红 外
第４ ２卷
在硅 平 台上 与 Ｃ Ｓ电子技 术兼 容 的光发射 机 ＭＯ 也是 近些 年 的研究 热点 。特别 是硅 基线 波导 的微 环
Ｌｎ ｅ ｍ ｎ 人利用 ３Ｄ直 写 的光 刻技 术 ， 作 了 ｉｄ ｎ ａ ｎ等 制
（ ） 脊 型 线 波 导 的截 面 图 ｂ硅
（ ） 物 图 ｂ买
图 ６ 外腔激光器和光调制器组成 的 ＭＲ Ｒ基光 发射机 的示意图及硅脊型线波导 的截面图
图 ８ 光 子 线 连 接 原 理 图 及 实物 图
６ 波导 加工
刻 蚀后 的硅 波 导表 面 通 常都 有 一定 的粗糙 度 ，
一
种 单模 的光子 线连 接 （ ＷＢ） Ｐ 自由形 式波 导 ， 现 实 了两 个不 同 的纳 米 光 子 芯 片 间 的连 接 。如 图 ８ ａ （）
谐振 器 （ Ｒ） ＭＲ 具有 低功耗 和 小 尺寸 的 特点 ， 以和 可 半导 体光 放 大器组 成 的硅基线 波 导混合 激光 器 。但 是 ＭＭＲ 光 调 制 器 工 作 波 长 范 围 的 典 型 值 只 有 ０ １ｎ 比较 窄 ， 温 度 变 化 时 仍 然 保 持 与 激 光 光 ． ｍ， 在
第４ ２卷 第 ９期
２１ ０ ２年 ９月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｅ ＡＳ Ｒ ＆ Ｉ Ｒ ＮＦ ＡＲＥ Ｄ
Ｖｏ ． １４２， ． Ｎｏ ９
Ｓ ｐｅ ｅ ，０ ２ ｅ ｔｍｂ ｒ ２ １
文 章 编 号 ：０ １５ ７ （０ ２ ０ －９ １ ５ １０ －０ ８ ２ １ ） ９０ ７ － ０
源 的波 长 匹配 比较 困难 。而 通过 热调节 机制来 控 制
所示 ， 光子 芯 片和光纤 末端 都 固定在通 用 的载体 上 ， 并 用 光刻胶 掩埋 。光 子线 连 接 的 ３ Ｄ结 构 通过 脉 冲
激光 聚焦下 的双 光子 聚合来 实现 。实 际制作 的光子
线连 接如 图 ８ ｂ 所示 。Ｐ （） ＷＢ的 直径 约 ２ ｍ。芯
・
综述 与评论 ・
从 Ｇ Ｐ ０ 硅 光 子 学 的 进 展 Ｆ２１ １看
陈媛 媛 余 金 中 ，
（． １ 北京工商大学计算机与信息工程学院 ， 北京 １０ ４ ； ． ０ ０ ８ ２ 中国科学院半导体研究所集成光电子国家重 点实验室 ， 北京 １０ ８ ００ ３）
摘
要 ： 导体硅 材 料不仅 是 一种 电子材 料 ， 半 也是 一种合 适 的光 子材料 。成 熟 的微 电子加工 工