资源描述：
《SOI光波导器件研究进展及应用.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、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
2、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
3、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SiliconOnInsulator,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
4、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PowerPCG4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
5、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
6、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
7、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1×2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510dB和512dB,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×
8、4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0136dB,器件长度比普
