硅基光波导1

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。

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。根据n1是否为常数分为阶跃光纤和渐变光纤两种。其相对折射率差约为1%，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。

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，而限制的折射率约为，折射率差达69%，故该波导对光场的约束能力很强，可以层SiO

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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做成相似的结构。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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

4、《基于载流子注入的ＳＯＩ４×４ＭＭＩ－ＭＺ光开关阵列》光电

子·激光第２４卷第１期２０１３年１月

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２

０１4年9月