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1、SOI基光耦合器研究进展第37卷第1期2007年1月激光与红外IASER&INFRAREDVo1.37.No.1January,2007文章编号:1001-5078(2007)01-0018-04SOI基光耦合器研究进展刘艳,余金中(中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室,北京100083)摘要:文章综述了国内外光耦合器的最新研究进展,着重介绍了目前耦合效率最高(55%),且与偏振无关的双光栅辅助定向耦合器的工艺流程,结构性能以及进一步提高耦合效率的可行性.关键词:耦合器;双光栅辅助定向耦合器;耦合效率中图分类号:TN622.2文献标识码:ATheProgressofS
2、ilicon-on-insulatorCouplersLIUYah.YUJin-zhong(StateKeyLaboratoryonIntegeratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,CMn~eAcademyofSciences,Beijing100083,China)Abs:Illthisp印erthelatestprogressofopticalcouplersisreviewed.Theemphasisisplacedonthefabrication,structuresofthemostefficient(55%)dualg
3、rating-assisteddirectionalcouplerandthepossibilityoffurtherimprovingthecouplingefficiency.Keywords:coupler;dualgrating-assisteddirectionalcoupler;couplingefficiency1引言20世纪6o年代以来,光电子集成(OEIC)获得了长足的发展.集成电路发展的主流趋势就是集成系统的小型化.在用于通信波段的众多波导材料中,SOI(silicononinsulator)材料以其无与伦比的成本优势,工艺成熟性,与IC工艺兼容等优点,使之成为最有
4、竞争力的实现光学集成和光电子集成的候选材料之一.然而,长期以来,SOI亚微米波导没有大规模地应用于实际通信系统.这是由于波导中的模斑尺寸小于1ttm,而光纤中的模斑尺寸为8一lOl~m,光从光纤进入这种小尺寸的波导经常会带来很大的损耗,其原因在于二者之间模斑尺寸以及有效折射率的失配,这将导致辐射模以及背反射的出现.所以在集成光电子学领域,两者之间的耦合问题是一个长期具有挑战性的课题.目前在Ⅲ一V族材料中,已经报道了运用楔形耦合器把光从单模光纤耦合进波导,并且获得了较高的耦合效率.硅基SOI波导的耦合问题也逐渐引起了研究者的兴趣.2不同结构的硅基SOI耦合器基于以上损耗的分析,为了降低光
5、纤和波导之间的模式失配和折射率失配,研究人员已经提出了许多耦合方法,如楔形模斑转换器(spotsizeconverter),反向楔形耦合器J,棱镜耦合J,透镜耦合],光栅耦合nn等.2.1正向楔形模斑转换器在集成电路中,通常用楔形结构作为模斑转换器来跟外界的元件连接.楔形模斑转换器的功能就是把光纤中的模式转化为波导中的模式,通常有正向和反向两种楔形结构.正向楔形结构是最直观的一种结构,与光纤连接的一端扩展为光纤尺寸大小,基金项目:国家自然科学基金(603360l0);973项目(G20o0o366);863项目(2002AA312060)资助.作者简介:刘艳(1979一),女,2004
6、年至今就读于中科院半导体所集成光电子国家重点实验室,光电子专业,现从事SOI基光耦合器的研究.E-mail:liuyan@red.semi.ac.cn收稿日期:2006-06-23;修订日期:2006-07-12激光与红外No.12007刘艳余金中SO!基光耦合器研究进展19与波导连接的一端拉成楔形.正向模斑转换器从外形上可以区分为三类:仅在水平面上作楔形变换的模斑转换器在垂直面上的做楔形变换的模斑转换器以及水平和垂直两个方向同时变化的模斑转换器.Delaware大道了用灰度掩膜制造更加有效的三维绝热的楔形耦合器J,如图1所示.受抗蚀膜的分辨能力的局限,耦合器垂直方向上为楔形,所以这种
7、耦合器不能实现水平方向的模斑变换.这种楔形耦合器虽然制作工艺相对复杂,但其非常适合高密集单片集成,而且,这种楔形耦合器的衬底还能进一步用于制作其他OIC元件.由于制作足够光滑的表面相对困难,损耗主要来源于表面粗糙带来的散射,同样楔形结构需要一个抗反射的包层来降低强烈的表面背反射,给制作带来麻烦.而且,一旦楔形结构小型化,表面粗糙会带来大量背反射.inputo0upJercen州wttveguideoutputcoupler图1楔形耦合器示意图2
