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 (绝缘体上的硅)、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。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IC。原本应通过交换器的电子，有些会钻入硅中造成浪费。

SOI可防止电子流失。摩托罗拉宣称中央处理器可因此提升时脉20%，并减低耗电30%。除此之外，还可以减少一些有害的电气效应。还有一点，可以说是很多超频玩家所感兴趣的，那就是它的工作温度可高达300°C，减少过热的问题。SOI一开始是由美商IBM公司的芯片部门投入开发，最早用于MAC电脑的PowerPC G4处理器，除了IBM外，还有Motorola、德州仪器、NEC等公司投入SOI技术的开发工作。但是Intel公司拒绝在其处理器产品中使用SOI技术，因为其认为SOI技术容易影响晶圆品质与减低晶体管交换速度，并且SOI上接合点也会减少，也就是一般制程中“漏电”的缺点所烦恼。接下来本文将主要介绍几种常见的SOI 基光波导器件包括弯曲波导、光耦合器、光衰减器、光调制器和光开关等近年来在国际国内的研究进展。

弯曲波导：在光学器件中,为了改变光束的传播方向经常需要使用弯曲波导. 对于SOI 脊形波导来说,虽然导波层硅和限制层二氧化硅之间的折射率差很大(硅为315 ,二氧化硅为1145) ,波导在垂直方向上对光的限制很强,但是波导在水平方向上对光的限制是通过脊形结构实现的,这种限制较弱. 因而当SOI 波导发生弯曲时,弯曲损耗将会不可避免,甚至会成为器件的主要损耗来源. 因此,采取措施减小弯曲损耗很有必要. 减小弯曲损耗主要有两类方法: 1) 选取合适的波导宽度、刻蚀比、弯曲半径参数值;2) 采用特殊的弯曲结构,如在弯曲波导外侧刻槽,在波导连接处引入偏移等. 波导的弯曲损耗随着弯曲半径、刻蚀比、波导宽度的增大而减小. 减小弯曲半径将使有效折射率分布的斜率增大,光场中心向弯曲外侧偏移,使光场泄漏增大;对脊形弯曲波导进行深刻蚀,脊区与两侧平板区有效折射率的差异会增大,能减小弯曲损耗;波导宽度越大,波导边界处光场分量就越小,也能减小弯曲处光场泄漏。

光耦合器：耦合器是光纤通信中实现光信号分路\ 合路的功能器件,是光学中最基本也最常见的一种器件,在光网络中有着广泛的应用. 它可以构成分束器、光衰减器、马赫曾德干涉仪、光开关和环形激光器等各种光波导器件,是其他器件的基础. 有研究人员制作了1 ³2 单模T 分支耦合器,其SOI 脊型波导宽度为6μm ,波导内脊高为815μm ,刻蚀深度为3μm ,器件的两个分支的损耗分别为510 dB 和512 dB ,分光比为52∶48. 多模干涉耦合器是近年来出现的一种新型耦合器,它的基本原理是基于多模波导中光场的自映像效应,具有带宽宽、对偏振不敏感,

器件制作容差大等优点,非常适合DWDM 光网络的应用。而研究人员制作的 4 ³4 普通双曲锥形多模干涉耦合器输出通道的功率不均衡性小于0136 dB ,器件长度比普通矩形多模干涉耦合器缩短了46 %. 随着工艺技术的改进,2005 年CMOS 工艺生产线的线宽已经达到90 nm ,其制作精度也达到了1～10 nm. 为了进一步缩小器件长度,人们开始采用纳米线波导代替传统大尺寸波导来制作波导器件。Yamada H , Chu T首次报道了一种基于纳米线波导的定向耦合器,两个耦合波导的横截面尺寸为013μm ³013μm ,间距仅为013μm ,如下图所示，由于两个波导之间很强的耦合作用,定向耦合器的耦合长度仅为10μm ,当耦合波导之间的间距减少时,波导长度还可以进一步缩短. 由此可以制作出结构非常紧凑的3 dB 耦合器.

光衰减器：可调谐光学衰减器(VOA) 作为光纤通信系统中的重要器件,广泛用于WDM 系统中信道的功率均衡、某些器件的过功率保护、构成其它光电功能模块以及有线电视网络节点处的功率均衡. Lin Yang , Yuliang Liu等人采用传统的半导体工艺制作了多模干涉型光衰减器,输入输出波导采用多模波导,且在输入输出波导、多模干涉区和调制区的节点处采用大张角的锥形波导来进行连接,在不影响其衰减范围和响应速度的前提下显著降低了插入损耗. 其在 1 525～1 565 nm 波长范围内的插入损耗为113～319 dB ,最大衰减量为26 dB ,最大电功耗为369mW ,响应时间为100μs. 基本上能够满足系统对光学衰减器低插入损耗、大衰减范围、快响应速度和宽光谱带宽的要求。Bookham 公司的I. Day 等人在2003 年的OFC 上报道了基于Si的等离子色散效应的可变光衰减器. 在器件的输入输出端采用了选择外延形成的模斑变换器,使输入输出端面和标准光纤的耦合损耗小于015 dB. 整个器件在1 530～1 590 nm 的波段内的插入损耗在1dB