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很强,但是波导在水平方向上对光的是通过脊形结构实现的,这种较弱. 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 ×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 ×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 ×013μm ,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,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 ×213 μm 降低到116 μm ×116 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 ×10 - 4/ K和156 W/ m·K. 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 ×1 MZI 热光开关,采用了016μm ×0126μm 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 ×2 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 ×2 的MZI 热光开关[16 ] ,开关是基于10μm ×9μm 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 ×16 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 ×2 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 × 10 － 4 /K 和156 W/m·K。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 × 2 的马赫－ 曾德干涉仪( Mach-Zehnder interferometer，MZI ) 热光开关，开关是基于10 μm × 9 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 × 16 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 × 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 × 105 V·cm － 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。下载本文
