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
左右,偏振相关损耗小于011 dB. 器件响应时间小于300 ns.
光调制器：光调制器是一种重要的有源器件,它在光通信、光计算等领域都有广泛的应用. 硅是中心对称晶体,一阶电光效应极其微弱. 虽然硅的热光系数较大,但受自身导热性质的限制,热光调制器的调制频率无法超过 1 MHz ,要实现高速调制只能通过等离子色散效应. Intel 公司在2004 年初利用成熟的微电子工艺在SOI 上实现了调制速率达到1 GHz 的光调制器。器件采用MZI 结构,调制区和CMOS二极管相似,如下图所示，由于电容两侧的载流子注入是在偏压作用下做漂移运动,而不像p - i - n 结中载流子注入是扩散过程,因此它的调制速率大大提高.器件的插入损耗为1513 dB. 其后他们进一步优化设计,通过缩小脊形波导的尺寸,将波导截面尺寸从215μm 3213 μm 降低到116 μm 3116 μm; 并用ELO (epitaxial lateral overgrowth) 技术生长出的单晶硅代替脊区的多晶硅,将调制频率提高到了10GHz ,插入损耗为19 dB。
光开关：Si 是一种很好的热光开关材料,具有大的热光系数和高的热导率,在波长为1155μm 时,分别为1186 310 - 4/ K和156 W/ m2K. 因此SOI 热光开关的响应速度比其它材料如SiO2 和聚合物的要快,可以达到μs 量级甚至更小. 热光开关通常采用MZI结构. 它们都是在介质材料上先做上波导结构,然后在波导上蒸镀金属膜加热器,当金属膜通电发热时,其下面的波导折射率就会发生变化,从而实现对光的调制. 美国Columbia 大学的Osgood 小组2003 年制作的1 31 MZI 热光开关,采用了016μm 30126μm 的矩形截面的单模波导. 在波长1155μm时,开关功耗50 mW , 开关时间小于315 μs. 由于波导截面尺寸太小,由边界粗糙造成的散射损耗很大,且和光纤的耦合损耗很大. 传输损耗和耦合损耗使得整个开关的插入损耗高达32 dB。Bookham 公司的A. House 等人在OFC2003
上报道了2 32 的MMI2MZI 热光开关,单模波导采用大截面脊型波导结构. 开关性能如下:开关功耗400mW ,响应时间10 ±2μs ,消光比2315 dB ,附加损耗110 dB. 芬兰Helsinki 大学和VTT 研究所在2004年共同报道了2 32 的MZI 热光开关[16 ] ,开关是基于10μm 39μm 的大截面脊型SOI 单模波导. 开关由数字信号处理器和简单的电子回路驱动,采用差分控制技术获得快速响应,响应时间小于1μs. 在大规模开关阵列研究方面,中科院半导体所[17 ]报道了16 316 光开关阵列,器件的消光比为1318 dB～2412 dB ,开关单元采用MMI2MZI 结构的2 32 开
关，开关单元的功耗为210 mW～230 mW ,响应时间小于3μs. 将SOI 纳米线引入到热光开关中,有助于器件尺寸和功耗的减小。
SOI应用：SOI 材料是应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料，在光电子学领域有很多具体的应用，如在热光器件、电光器件、亚微米波导器件与光纤的耦合器等方面的应用。
热光器件：热光器件指的是利用材料的热光效应所制成的光波导器件。所谓热光效应是指光介质的光学性质( 如折射率) 随温度变化而发生变化的物理效应。典型的硅基热光开关材料有SiO2、Si 等。硅基热光波导器件相对于其他类型的光开关调制器件有明显的优点，如制作简单、成品率高、成本低、易于集成等。然而缺点也很突出，如开关时间长( 毫秒，微秒
量级) ，但是这些缺点在一定程度上可以通过结构上的精心设计加以改进。比如适当增加调制区长度缩短开关时间、采用紧凑的结构减小器件尺寸和功耗等。这些改进也使得热光开关成为光网络，尤其是大容量光网络看好的光开关，尤以SiO2和SOI 热光开关阵列的发展让人瞩目。
Si 是一种很好的热光开关材料，具有大的热光系数和高的热导率，在波长为1．55 μm 时，分别为1．86 310 －4 /K 和156 W/m2K。因此SOI 热光开关的响应速度比其他材料如SiO2和聚合物的要快，可以达到微秒量级甚至更小。目前国际上SOI 热光开关的研究成果主要有: 芬兰Helsinki 大学和VTT 研究所在2004 年共同报道了 2 3 2 的马赫－曾德干涉仪( Mach-Zehnder interferometer，MZI ) 热光开关，开关是基于10 μm 39 μm 的大截面脊型
SOI单模波导。开关由数字信号处理器和简单的电子回路驱动，采用差分控制技术获得快速响应，响应时间小于1 μs。在大规模开关阵列研究方面，中科院半导体所报道了16 316 光开关阵列，器件的消光比为13．8 ～24． 2 dB，开关单元为采用多模干涉( multimode interferometer，MMI) 耦合器作为分束/合束器，MZI 结构的2 3 2 开关，如下图所示，开关单元的功耗为210 ～230 mW，响应时间小于3 μs。将SOI 纳米线引入到热光开关中，有助于器件尺寸和功耗的减小。虽然热光器件制作简单，但由热光效应所决定了其器件响应速度相对较慢。即使是热光系数很大的SOI 器件，利用过冲驱动的方式也只能使其工作速率提高到MHz 量级，难以实现更高的比如GHz 的工作速率。因此，对于器件调制速率要求比较高的场合，将目光转向响应时间在纳秒量级的电光器件也是必然的选择。当然热光波导器件的研究成果也为电光器件的研制打下了良好的基础。
电光器件：高速电光调制器不仅是未来光交叉互连( OXC) 和光分插复用( OADM) 系统中的核心器件，而且在芯片光互连和光计算技术中也具有很大的应用前景。高速硅基调制器是除了硅基光源之外最具有挑战性的领域，研究意义重大。而硅作为一种中心反演对称得晶体，没有线性电光效应，Pockels 线性电光系数为零。硅中的Kerr 效应也非常弱，即使加104 ～ 3 3105 V2cm －1的电场，产生的折射率改变也仅为10 －8 ～10 －5。因此人们一度认为实现硅基高速调制是不可能的。然而SOI 材料以它在成本、制作工艺、电学与光学特性等方面巨大的优势，仍吸引着研究人员不懈努力，终于在近几年取得了突破。目前高速的光调制和开关一般都是利用硅材料的等离子色散效应来实现。通过在光波导上集成不同的电学结构可以实现自由载流子的注入、积累、耗尽或反转，使载流子浓度发生改变，从而引起折射率( 或吸收系数) 的相应变化。常用的电学结构有正向偏置PIN 二极管、反向偏置PN 结、MOS 电容以及场效应晶体管( FET) 等。2008 年，Intel 公司报道的硅基调制器测试得到的3 dB 带宽
高达33 GHz，并实现了40 Gb /s 的非归零( NRZ) 信号调制。该调制器由硅基波导型MZI 干涉器和反向PN结结构构成。在调制器工作时对PN 结施加反向偏压，结区附近的电荷耗尽区便会展宽，耗尽区内折射率随之增加。由于耗尽区内的折射率变化较小，需通过合理设置PN 结位置来实现光场与耗尽区的良好重叠。基于类似原理的高速调制器件还有C．A．Barrios 等人提出的调制区结构为F －P 腔的电光调制器以及Q．Xu 等人提出的基于SOI 脊形波导的微环结构电光调制器，特别是后者，响应时间可以低至200 ps
随着高速电光调制器件的研制成功，人们必然进一步再追求小尺寸、集成度高的硅波导器件。而扩大器件规模的关键就是减小单个波导的尺寸。现在半导体工艺的加工能力的提高为其提供了方向。半导体加工工艺已经进入了光波波长的范围，人们可以很容易地设计加工出小于光波波长( 350 ～400 nm) 的各种亚微米光波导结构。当然亚微米波导器件的出现也带来了与光纤耦合困难的问题，因此各种耦合器件的研究也就应运而生。
结束语：SOI 材料近年来在光电子学领域的广泛应用不仅得益于成熟和商品化的SOI 材料制备技术，也有赖于对新型的器件结构的探索以及不断发展进步的基于硅材料的微纳米加工技术，而SOI 光电子工艺与标准CMOS 工艺完全兼容, 为实现低成本高集成度的光电子回路提供了可能, 因此基于SOI的集成光电子器件必然是，也的确一直是光学中的一个重要部分。SOI 基光波导器件的研究必然会促进用于DWDM 通讯系统的低成本SOI 光电子集成芯片的迅速发展。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术 随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。 1.平面光波导材料 PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。 图1. PLC光波导常用材料 铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。 InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。 二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。 SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。 聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。 玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性 2.平面光波导工艺 以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。 二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其 中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离 子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、 硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。 图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
平面集成光波导器件综述 1 引言】 光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年https://www.doczj.com/doc/928370237.html,ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。 【2 制作器件的主要材料】 制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1 给出这几种材料的基本特性。 InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。 【3 二氧化硅波导基本工艺】 有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知， 折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。 【4 二氧化硅光波导器件】 4.1 SiO2 PLC的基本单元 平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发 生变化，从而调节器件的性能。
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
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絶缘体上的硅）、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
论述脊型光波导的分析方法及其模场分布的计算摘要：本文主要介绍了如何通过有效折射率法计算脊型光波导的模场分布以及如何通过有限元法来数值求解脊波导的模场分布其次我们介绍了脊波导的工作特性和制作方法，最后我们列举了脊波导在激光器，调制器等信息光电子器件中的应用。 关键词：脊波导有效折射率模场分布有限元法 1引言：脊波导与相同尺寸的矩形波导比较主要优点是:主模H10波的截止波长较长,对于相同的工作波长,波导尺寸可以缩小;H10模和其它高次模截止波长相隔较远,因此单模工作频带较宽,可以达到数个倍频程;等效阻抗较低,因此易与低阻抗的同轴线及微带线匹配。但脊波导承受功率比同尺寸的矩形波导低。脊形波导在集成光学中有广泛的应用,它是薄膜激光器、藕合器、调制器、开关等许多光电器件的基础。由于脊形波导边界复杂,精确地分析其光学特性十分困难,若考虑介质的吸收作用,则难度就更大。其次要能够设计出性能优良的光波导，那么必须首先能够在理论上对光波导进行计算。对于脊型光波导而言由于其结构复杂没有严格的解析解,应采用数值方法或近似法进行分析。光波导分析方法常用的有:转移矩阵法、模耦合理论、有效折射率法、有限元法、时域有限差分法和束传播法等。在本文中采用的计算方法是有效折射率法对脊型光波导进行分析计算，还介绍了一种利用有限元差分算法对脊波导的模式进行数值计算。最后介绍了脊型光波导在信息光电子学中的应用。 2脊型光波导的理论模型分析 2.1脊波导的有效折射率法 脊波导的横截面如图一所示，图中,分别为芯区，下包层和上包层的折射率，a为脊宽，h为脊高，b为脊下的芯厚度，则b-h为脊两边的芯厚度，此时光功率主要限制在脊下波导的芯中传播。有效折射率法是把这种波导等效为x方向厚度为a的对称三层平板波导，如图二所示。在脊波导中主要存在两种形式的模，模和模，前者以为主，同时为0，后者以为主，同时为0。我们以导模为例来说明这一等效平板波导的折射率分布是如何确定的。
集成光波导型(AWG ) 以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。 目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。如图3.2.2所示。 （1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。 ②．高隔离度 ③．易大批量生产。 因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。 (2)．AWG 的缺点 插入衰耗较大，一般为6~11dB 。 带内的响应度不够平坦。 4．光栅型 光栅型波分复用器件属于角色散器件。当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=https://www.doczj.com/doc/928370237.html,/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。 （1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率 3.2.2图：AWG 波分复用器件
其通道间隔可以达到30GH Z以下。 ②．高隔离度 其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。 ③．插入衰耗低 大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。 ④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。 正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。 （2）．光栅型波分复用器件的缺点 ①．温度特性欠佳 其温度系数约为14pm /°C。因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。 ②．制造工艺复杂，价格较贵。 5．光纤布喇格光栅型（FBG） 利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。 [url=https://www.doczj.com/doc/928370237.html,/]魔兽私服[/url]当含有多个波长的光波输入后，利用布拉格光栅就可以把某波长的光分离出来，如图3.2.4 a)所示。 利用普通的光分路器与多个光纤布喇格光栅就可以构成WDM系统使用的分波器，如图3.2.4 b)所示。 光纤布喇格光栅型波分复用器件的优点： ①．具有相当理想的带通特性，带内响应平坦、带外抑制比高； ②．温度特性较好，其温度系数可以与介质膜干涉滤波器型相媲美。
光波导理论与技术大学课件 06 年复习题 x E y x t Ay cos t1. 已知一平面电磁波的电场表达式为 c ， 写出与之相联系的磁场表达式。(提示:利用麦克斯韦尔方程，注意平面波的特点) 2E 1 2E2. 证明平面电磁波公式 E A cost kx 是波动微分方程 0 的解。 x 2 v 2 t 23. 在直角坐标系任意方向上以角频率传播的平面波为 E A exp j t k r ，根据波动方程 2 2E ，导出用角频率、电容率、导磁率0 表示平面波的传 E 0 2 0 播常数 k。 t4. ?璧ド矫娌ㄓ?E A exp j t kz 表示，求用电容率、导磁率0 表 示的该平面波传播速度。(提示:考虑等相位面的传播速度)5. 用文字和公式说明电磁场的边界条件。6. 设时变电磁场为 A xt A x sin ωt ，写出该电磁场的复振 幅表示式，它是时间的函数还是空间的函数,7. 分别写出麦克斯韦尔方程组和波动方程的时域与频域的表达式。8. 说明平面波的特点和产生的条件。9. 写出平面波在下列情况下的传播常数或传播速度表示式: 1 沿任意方向的传播速度; 2 在折射率为 n 的介质中的传播常数; 3 波矢方向与直角坐标系 z 轴一致的传播常数。10. 平面波波动方程的解如下式，说明等式右边两项中正负号和参数 k 的物理意义。 E x z ， t E e j t kz E e j t kz11. 说明制成波片材料的结构特点，如何使波片成为 1/4 波片和 1/2 波片12. 如果要将偏光轴偏离 x 轴度的线偏振光转变 成 x 偏振光，应将/2 波片的主轴设定为偏离 x 轴多大角度13. 什么是布儒斯特 起偏角,产生的条件是什么14. 光波在界面反射时，什么情况下会产生半波损失15. 如何利用全反射使线偏振光变成园偏振光,16. 什么是消逝波,产生消逝波的条件是什么,17. 什么是相位梯度,它与光波的传输方向以及介质折射率是什么关系,18. 在非均匀介质中如何表示折射率与光线传播方向的关系,19. 光纤的数值孔径表示 什么,如何确定它的大小20. 在下列情况下，计算光纤数值孔径和允许的最大入射 角(光纤端面外介质折射率n1.00): 1 阶跃折射率塑料光纤，其纤芯折射率 n1
光波导的理论以及制备方法介绍 摘要 由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。重点介绍离子注入法。 光波导简介如图所示为光波导结构 图表1光波导结构 如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。其中白色曲折线表示光的传播路径形式。可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。 一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。 图表2光波导模型 如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。 光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点： （1）光密度大大增强 光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。 （2）光的衍射被限制 从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技
术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。 （3）微型元件集成化 微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低 （4）某些特性最优化 非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低 综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。 光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别： 图表3平面波导（planar） 图表4光纤（fiber）
平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成中文为： 平面光波导(技术)。所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP, GaAs等)、绝缘体上的硅 (Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等。 基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。根据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图2)。这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC
光波导技术课程论文题目:光波导器件研究的最新进展 院系武汉光电国家实验室专业班级硕士 01 姓名张加凯 学号 M201572516 2015年 10月 光波导器件研究的新进展 摘要 :如今, 在这个计算机技术以及通信技术被迅猛发展的时代, 光波导材料与器件作为光通信系统中的必不可少的组成部分, 自然得到了人们越来越多的重视和发展, 并且已经广泛的应用与现今的各种光通信系统中了。其中, 光开关作为光网络和数字光信息处理的核心器件, 人们对其的研究可以追溯到上个世纪六十年代。由于新的技术不断的涌现, 使得光开关的集成化和规模化得到了大大的发展,本文将主要介绍光开关的发展现状以及其研究的最新进展。 关键字 :光网络,机械光开关,电光开关,热光开关,全光开关 1. 光开关概述 光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。 1.1光开关的典型应用 光开关在光纤通信系统中的应用十分广泛。它不仅可以用来保护,测试和监控光网络的实时通信情况。还能够组成个复杂的光器件, 例如光交叉连接器 (OXC 和光分插复用器 (OADM 来完成选择不同波长的选择以及复用功能。下面将详细的介绍:
(1光开关的保护和检测功能 当光通信网络出现故障的时候, 光开关能将报错地点的光路切换到备用线路上,从而实现整个光网络的保护功能。同理,当我用来检测光网络时,可以将检测节点接入检测光路实现检测的目的。 (2光交叉连接(OXC 光开关是组成光交叉连接(OXC 的基本单元。而由光开关阵列构成的 OXC 具有带宽管理功能,同时也能对光网络起到保护和恢复的作用。 (3光分插复用器(OADM 同样,光分插复用器(OADM 也是又光开关阵列所构成,它可以在光网络的某一节点上随意复用或下载任意波长的光信号。这种强大的功能使其在光通信的复用系统中的应用十分的广泛。 1.2光开关的分类及其现状 如今的主要的光开关根据其工作原理可以分为机械光型开关, 声光型光开关, 热光型光开关,电光型光开关,全光开关。 1.2.1机械型光开关 传统的机械光开关仍是目前应用的最为广泛的光开关,它通过机械的方法将光纤移动来产生开和关的功能, 这种光开关损耗较低, 串扰较少, 而且还不受偏振和波长的影响, 但是由于这种机械的控制方法限制了光开关的体积大小, 使得其在器件集成方面受到很大的限制。而后来发展的微机电系统光开关 (MEMS 虽然在尺寸方面优化了许多, 但是长期使用后机械部分的稳定性使其在应用方面得到了限制。 1.2.2声光型光开关和热光型光开关
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导 图4. 椭圆光波导 光波导原理及器件简介 摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。 关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光 1.引言 1.1光波导的概念 波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。 光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。 1.2光波导的分类 按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导 （n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。 2.光波导的原理简介 一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。 最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之间。为了构成真正的光波导，要求n1必须大于 n2和 n3，即 n1>n2>=n3。这样，光能限制在薄膜之中传播。 假定导波光是相干单色光，并假定光波导由无损耗，各向同性，非磁性的无源介质构成。 光在平板波导中的传播可以看作是光线在薄膜—基底和薄膜—覆盖层分界面上发生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z 方向传播，光在x 方向受到约束，而在y 方向不受约束。 在平板波导中，n1>n2且 n1>n3，当入射光的入射角θ1超过临界角θ0时： 入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。我们从菲涅耳反射公式： 出发，推导出反射点的位相跃变φTM 、φTE 为：
47, 051301 (2010) ?2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301 基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的 TE/TM偏振分束器 王剑威戴道锌时尧成杨柳 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。 关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅 中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 A Design of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu (Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China) Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 μm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB. Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator 1 引言 近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。硅纳米线光波导具有折射率差大、弯曲半径小(约2 μm)、与CMOS制造工艺兼容、可实现超高集成度等优点[1,2]。目前已经研制了很多种超小尺寸硅纳米光波导器件，如阵列波导光栅[3,4]、微环谐振器[5,6]、功分器[7,8]等。偏振 收稿日期：2009-08-02; 收到修改稿日期：2009-11-23 基金项目：国家自然科学基金(60607012)(和浙江省自然科学基金(J20081048))资助课题。 作者简介：王剑威(1986—)，男，硕士研究生，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: wangjianwei@https://www.doczj.com/doc/928370237.html, 导师简介：戴道锌(1979—)，男，博士，副教授，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: dxdai@https://www.doczj.com/doc/928370237.html,(通信联系人)
第20卷第10期半 导 体 学 报V o l.20,N o.10 1999年10月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S O ct.,1999一种低损耗SiGe脊形光波导的结构和设计3 施 斌 蒋最敏 王 迅 (复旦大学应用表面物理国家重点实验室 上海 200433) 摘要 本文提出了一种Ge含量在波导厚度方向渐变的SiGe光波导,对这种波导进行了模式分 析,给出了进行单模波导设计的方法,并与成分均匀的SiGe光波导进行了传输损耗的比较,发 现这种波导具有更小的传输损耗. PACC:4280L 1 引言 SiGe脊形波导作为全硅基光电集成最基本的部分,其特性对整个光路的特性有着重要影响,而它的传输损耗则是影响其特性的一个基本参数.所以降低SiGe脊形波导的传输损耗,对于提高整个集成光路的性能就显得相当重要.在90年代初,So ref等人制作出了工作在113Λm波长时传输损耗119dB c m(TM模)和312dB c m(T E模)的接近实用价值的SiGe光波导[1].之后Pesarcik等人又完成了损耗为0162dB c m(TM模)和0150dB c m(T E 模)的波导[2].但在此之后,进一步降低损耗的工作出现了停顿. 对于现在的低损耗SiGe光波导(015dB c m左右)而言,其传输损耗主要由导波层(芯层)与衬底之间界面的界面散射引起,而要通过改善界面的方法来减少这种散射,在工艺尚未取得突破以前已很难有较大的进展.从另一角度考虑,如果将光场尽量约束在远离界面的区域的方法,也能减少界面散射的影响从而降低传输损耗.由此,本文提出用折射率呈三角形分布的渐变折射率SiGe光波导来实现这种约束,并对这种形式的波导作了模式分析和参数设计,其传输损耗与均匀型波导作了比较. 2 波导的结构 SiGe合金的折射率随Ge组分的增大而增大,因而,当Ge的组分在波导厚度h的范围连续变化时,折射率也随之连续变化.如果我们使Ge的组分呈沿厚度方向中间高两边低的分布,相应的,折射率的分布也是中心高,两边低,那么就有可能使在其中传播的光被限制在中心附近.从线光学的角度看,此时光将沿一种连续的“弧形光线轨迹”传播,如图1中的类 3国家自然科学基金重点资助项目 施 斌 男,1975年出生,硕士研究生,目前的主要研究方向为Si基光电子集成 1998205209收到,1998206228定稿
Ξ硅基光波导结构与器件 刘育梁 王启明 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083) 摘要 简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等. 关键词 硅,光波导. 引言 硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场. 硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述. 1 低损耗硅基光波导结构及工艺 1.1 外延型光波导 第15卷第1期 1996年2月 红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996 Ξ
——自学《光波导理论与技术李玉权版》笔记 第1章绪论 (2) 1.1 光通信技术 (2) 1.2 光通信的发展过程 (2) 1.3 光通信关键技术 (3) 1.3.1 光纤 (3) 1.3.2 光源和光发送机 (5) 第2章电磁场理论基础 (7) 2.1 电磁场基本方程 (7) 2.1.1 麦克斯韦方程组 (7) 2.1.2 电磁场边界条件 (8) 2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程 (10) 2.1.4 柱型波导中的场方程 (11) 2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 (13) 2.2.1 无界均匀媒质中的均匀电磁波 (13) 2.2.2 平面电磁波的偏振状态 (13) 2.2.3 平面波的反射和折射 (15) 2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波 (16) 2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 (18) 2.3.1 电各向异性媒质 (18) 2.3.2 电各向异性媒质中的平面波 (18) 2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 (22) 2.4.1 几何光学的基本方程——eikonal方程 (22) 2.4.2 光线传播的路径方程 (24) 2.4.3 路径方程解的两个特例 (25) 2.4.4 折射定律与反射定律 (28)
第1章 绪论 1.1 光通信技术 光通信的主要优势表现在以下几个方面： （1） 巨大的传输带宽 石英光纤的工作频率为0.8~1.65m μ ，单根光纤的可用频带几乎达到了200THz 。即便是在1.55m μ 附近的低损耗窗口，其带宽也超过了15THz 。 （2） 极低的传输损耗 目前工业制造的光纤载1.3m μ 附近，其损耗在0.3~0.4dB/km 范围以内，在 1.55m μ波段已降至0.2/dB km 以下。 （3） 光纤通信可抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，这样就提高了这种通信手 段的保密性，同时也不会产生电磁污染。 1.2 光通信的发展过程
平面光波导分路器工作原理简介The operating principle of Planar Lightwave Circuit (PLC) splitter 专业2009-12-27 10:55:40 阅读10 评论1 字号：大中小订阅 分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(Passive Optical Network, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面： 1.作为下行光信号(1490nm和1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用 2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用 详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如Gerd Keiser的《FTTX Concepts and Applications》)。这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。 目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fused Biconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1 x 2基本结构的级联而成。FBT的1 x 2结构是一耦合器，而PLC的是一Y分支结构。这个看似简单的Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的Y分支结构属于技术机密(Classified technology)，这里不便讨论。这里仅就基于平面光波导技术的一个Y分支结构的分路器，即1 x 2分路器的工作原理作一简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1 x 2分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是3 dB。 1 x 2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，图1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及图1(d)的模斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干涉型(Multi-Mode Interference, MMI)。现行市场上热卖的PLC分路器都是SSC型的，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。 首先来看图1(b)的DC，入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。当该0阶模到达耦合区-两相互靠近的波导(间距为波长量级)时，根据超模理论(Supermode theory)，将会在耦合区激励出如图中所示的两超模(由各独立波导中的0阶模叠加而成)：偶模(even mode)和奇模(odd mode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并)的传播常数。在偶模中，位于2个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以在相邻两波导中周期性的，成二次正(余)弦函数的，不断的交替变换。图中示意图为刚好等分(half = 3 dB)入射光强时的模式(FBT1 x 2分路器原理与此类同)。 再来考察图1(c)中的ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。虽然该结构也叫DC，但其工作模式与真正的DC完全不同。当入射0阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突然增大一倍，其场宽也必然增大，变成另一0阶模。由于这两个0阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1阶模的激发，而且1阶模的强度与0阶模相同。如是在中间宽度2w多模波导中便传输着两个模式，并且最多只有这两个模式：0阶模和1阶模(该2w波导为双模波导)。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式(0阶模，1阶模)的相互干涉场分布(前面提到的MMI)。图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分(half = 3 dB)输入光强时的模式。 图1(d)就是现行市场上的PLC1 x 2分路器-Y分支。其工作原理如下：当入射单模波导内的0阶模刚到达锥形区域-SSC时，这里波导结构并无发生任何变化，因此仍然保持该0阶模的形态。当该0阶模继续在SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到2w，此时该波导内可以存在两个模式(前已述)。然而，由于SSC区域变宽的很缓