硅基光波导1
硅基光波导光学相控阵多光束形成方法
硅基光波导光学相控阵多光束形成方法一、引言硅基光波导光学相控阵多光束形成是一种基于硅基光波导的光学器件，可以通过控制相位和幅度来实现对多个光束的形成和调节。
这种技术在激光加工、信息处理等领域有着广泛的应用前景。
本文将介绍硅基光波导光学相控阵多光束形成方法。
二、硅基光波导硅基光波导是一种利用硅材料制造的微型结构，可以将电磁波引导到器件内部，并在其表面上进行反射、透射和干涉等操作。
硅基光波导具有体积小、传输损耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于通信、传感和计算等领域。
三、相控阵原理相控阵是指通过对每个发射元件施加不同的相位来实现对辐射方向和强度的调节。
在硅基光波导中，可以通过改变输入端口处的电压信号来调节每个发射元件的相位差，从而实现对多个发射元件的调节。
四、多光束形成方法1. 设计硅基光波导器件首先需要根据所需的多光束形成模式，设计出相应的硅基光波导器件。
这个过程需要考虑到器件的尺寸、形状、材料等因素，并结合相控阵原理进行优化。
2. 制备硅基光波导芯片制备硅基光波导芯片需要采用微纳加工技术，通过电子束曝光、干蚀刻等步骤将设计好的硅基光波导结构制造在芯片表面上。
3. 安装和测试芯片制备好的硅基光波导芯片需要进行安装和测试，包括连接输入输出端口、调节电压信号等步骤。
通过测试可以获得器件的性能参数，如传输损耗、相位调节范围等。
4. 实现多光束形成在测试好的硅基光波导器件上，可以通过改变每个发射元件处的电压信号来实现对多个发射元件的相位差调节。
通过优化电压信号和相位差之间的关系，可以实现所需的多光束形成模式。
五、总结硅基光波导光学相控阵多光束形成是一种基于硅基光波导的光学器件，可以通过控制相位和幅度来实现对多个光束的形成和调节。
本文介绍了硅基光波导的原理、相控阵原理以及多光束形成方法。
该技术在激光加工、信息处理等领域有着广泛的应用前景。
硅基垂直光栅耦合器的研究进展
收稿日期:20220923基金项目:国家重点研发计划项目(2018Y F B 2200500);国家自然科学基金资助项目(61204080);国家重点实验室基金资助项目(S K L 201804);陕西省重点研发计划项目(2022G Y -012);西安市科技计划项目(2020K J R C 0026)㊂作者简介:刘 勇(1999),男,陕西安康人,硕士研究生㊂通讯作者:冯 松(1982),男,江苏扬州人,教授,博士㊂E -m a i l :f e n g s o n g @x pu .e d u .c n ㊂第35卷第4期2023年 8月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .35,N o .4A u g .2023文章编号:2095-5456(2023)04-0309-10硅基垂直光栅耦合器的研究进展刘 勇,冯 松*,王 迪,陈梦林,胡祥建,冯露露(西安工程大学理学院,陕西西安 710048)摘 要:对国内外硅基垂直光栅耦合器的研究进展进行了总结,讨论了均匀光栅耦合器和非均匀光栅耦合器的研究现状,并对相关耦合器的性能参数做了对比和分析,为未来继续研发更高耦合效率㊁更大耦合带宽的垂直光栅耦合器提供思路与参考㊂关 键 词:光子器件;光波导;硅基;光栅耦合器;垂直耦合中图分类号:T N 256 文献标志码:AR e s e a r c hP r o g r e s s o f S i l i c o n -B a s e dV e r t i c a lG r a t i n g C o u pl e r s L I U Y o n g ,F E N G S o n g ,WA N G D i ,C H E N M e n g l i n ,HU X i a n g ji a n ,F E N GL u l u(S c h o o l o f S c i e n c e ,X i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,X i a n710048,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f s i l i c o n -b a s e d v e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r s a t h o m e a n d a b r o a d w a s s u mm a r i z e d ,t h er e s e a r c hs t a t u so fu n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sa n dn o n -u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sw a s d i s c u s s e d ,a n d t h e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so f r e l a t e dc o u p l e r sw e r e c o m pa r e d a n da n a l y z e d ,w h i c h p r o v i d e di d e a sa n dr e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r ed e v e l o pm e n to fv e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r sw i t hh i g h e r c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d l a r g e r c o u p l i n g ba n d w i d t h .K e y wo r d s :p h o t o n i c d e v i c e s ;o p t i c a lw a v e g u i d e ;s i l i c o n s u b s t r a t e ;g r a t i n g c o u p l e r ;v e r t i c a l c o u p l i n g 随着集成光电子器件在光通信系统中的应用日益广泛,如何实现光纤或激光器与光电集成芯片波导之间的高性能㊁低成本耦合是亟待解决的问题㊂为了维持光波导的单模传输特性,集成光电子器件中光波导的模斑尺寸通常小于1μm ,而单模光纤的模斑尺寸通常为8~10μm ,二者之间尺寸相差巨大,使得光从光纤进入小尺寸的波导器件时,会出现模斑尺寸和有效折射率的失配,进而产生较大的插入损耗,这也是硅基光电子发展的产品化技术难点㊂为了降低光纤与光芯片波导之间的模式失配和有效折射率失配造成的损耗,学界提出了很多解决方案,现有的光耦合结构包括楔形模斑转换器[13]㊁透镜耦合器[4]㊁棱镜耦合器[5]和光栅耦合器[610]等㊂各种耦合器结构和制作方法多种多样,性能也各有千秋,彼此之间相互竞争㊁相互促进㊂楔形耦合器的耦合效率与耦合带宽很大,但制造工艺复杂且尺寸较大,因此难以和其他器件集成,且输入和输出耦合只能发生在集成光芯片的边缘,这就限制了光输入/输出(i n p u t /o u t pu t ,I /O )端口的位置[11]㊂透镜和棱镜耦合器耦合效率和耦合带宽较好,但工艺复杂对准容差小并且体积较大,难以和其他器件集成㊂而光栅耦合器制作工艺简单㊁工艺容差大㊁易对准㊁对准容差大㊁易于集成,可与传统微电子工艺兼容,而且可以在光芯片平面的任意位置实现光的输入或输出,灵活布置I /O 端口的位置,无需划片与端面抛光Copyright ©博看网. All Rights Reserved.013沈阳大学学报(自然科学版)第35卷就可以进行片上测试,因此采用光栅耦合器这种耦合方式能大大提高芯片集成度,是解决光纤或激光器与光芯片波导之间高性能㊁低成本耦合的1个重要解决方案㊂光栅耦合器主要是通过光栅的衍射作用将光纤中的光耦合进波导中,光栅耦合器既可以实现光纤与芯片波导之间的垂直耦合,也可以实现水平耦合,目前研究较多的是基于垂直耦合的光栅耦合器㊂1970年,D a k s s课题组最早开始了对光栅耦合器的研究,他们利用光刻胶制作出了1种均匀对称光栅耦合器[12]㊂随着相关理论和加工技术不断发展,从传统均匀对称的结构出发,研究人员设计制作出了各种不同结构㊁不同材料的光栅耦合器㊂传统均匀对称结构的光栅耦合器在器件设计和制备方面较为简单,但是其对称的结构也限制了耦合效率,在理想情况下最高只能达到50%的耦合效率,难以满足实际的应用需求㊂为了打破结构的限制以提高耦合效率,美国阿拉巴马大学的W a n g课题组设计了1种具有倾斜结构的光栅耦合器[13]㊂通过倾斜光栅的非对称结构解决了对称结构对耦合效率的限制,得到了更好的耦合性能㊂此后,还有更多不同结构的非对称光栅耦合器被设计制作出来㊂本文分析了近年来各国研究人员所提出的各种基于绝缘体上硅(s i l i c o no ni n s u l a t o r,S O I)㊁绝缘体上氮化硅(s i l i c o nn i t r i d e o n i n s u l a t o r,S N O I)和绝缘体上铌酸锂(l i t h i u mn i o b a t e o n i n s u l a t o r,L N O I)材料的性能优异的均匀光栅耦合器与非均匀光栅耦合器,列表总结对比了各种类型的光栅耦合器的性能与优化方法㊂1均匀光栅耦合器均匀光栅是结构最简单的光栅耦合器,然而,这种光栅的最大耦合效率是有限的[14],光栅的刻蚀深度㊁占空比㊁以及光栅的材料等因素对耦合效率有很大的影响㊂基于传统的均匀光栅结构,相关科研工作者们提出了诸多方法来提高它的耦合效率,例如:优化器件结构参数㊁增加后反射器㊁顶部增透膜㊁底部反射镜(d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r,D B R)和光栅反射镜(g r a t i n g r e f l e c t o r,G R)等,有效地减少了反向耦合光㊁顶层反射光以及泄漏到硅基底层的光能量,使得更多的光能量能够耦合进波导当中㊂近年来也有许多性能优异的器件结构设计被提出并通过了理论和实验验证㊂绝缘体上硅是1种广泛应用于集成电路的材料,其具有集成度高㊁速度快㊁耐高温㊁热导率高㊁抗辐射㊁低压低功耗等优点,能够很好地和C MO S工艺兼容且成本低,是非常优秀的材料,是目前硅光子主要的无源波导材料之一㊂2018年韩国科学技术高级研究院的S h a r m a课题组在具有220n m厚的硅器件层的S O I平台上,用时域有限差分法(f i n i t ed i f f e r e n c e t i m ed o m a i n,F D T D)对光栅耦合器进行了模拟[15]㊂对影响光栅耦合效率的几个重要参数光栅周期㊁占空比㊁刻蚀深度进行了优化㊂优化后得到的最佳参数分别为:最佳周期为620n m;最佳占空比为50%;最佳刻蚀深度为80n m,其结构截面如图1所示;光栅耦合器的尺寸为15.5μmˑ10μm㊂最后,采用干法刻蚀制作出了所设计的器件并进行了测试,测试结果显示,在1550n m波长下耦合效率为-3.6d B,3-d B耦合带宽为48n m ㊂Λ 周期;e d 刻蚀深度;n 折射率㊂图1优化后的光栅耦合器截面F i g.1C r o s s s e c t i o no f t h eo p t i m i z e d g r a t i n g c o u p l e r2019年日本仙台东北大学的Y u等[16]基于均匀对称光栅设计了1种可用于完全垂直耦合的双层光栅耦合器㊂该耦合器结构的截面如图2所示,可工作于1.3μm和1.55μm波长㊂器件上层是1个周期长㊁刻蚀深度深的顶部光栅,这个光栅采用了S i3N4和S i O22种折射率差较小材料来制作,以减小偏振和背反射的影响㊂这个光栅作为分光器,可以有效地将垂直入射的光波转换为倾斜的入射波㊂为了对倾斜波进行2次衍射并将其耦合进波导中,作者设计了1个周期短㊁刻蚀深度浅的第2光栅㊂2个光Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 双层光栅耦合器截面F i g .2 C r o s s s e c t i o no f d o u b l e l a y e r g r a t i n g c o u pl e r 栅之间由1个高度为d g a p 的Si O 2间隙层隔开㊂它们通过2维时域有限差分法(2d i me n s i o n a l -f i n i t ed i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ,2D -F D T D )仿真计算了耦合效率和耦合带宽㊂通过合理设计优化2个光栅和硅波导的结构参数,可以满足入射波和波导的相位模式匹配条件㊂优化后的结果显示,在1582n m 波长下T E 0的双端口输出的耦合效率为41%,T M 0的双端口输出的耦合效率为32.88%,在1322n m 波长下T M 0的双端口的耦合效率输出为27.06%,测得的3-d B 耦合带宽分别为49㊁47和34n m ㊂铌酸锂(l i t h i u m n i o b a t e ,L N )晶体是1种多功能铁电材料,被称为光子学领域中的硅 ㊂它具有良好的声光㊁非线性光学㊁电光等特性㊂绝缘体上铌酸锂已成为集成光子学领域1个有前途的平台㊂为了利用L N O I 技术提供的优势,需要适用于光纤到L N O I 平台耦合的光栅耦合器㊂2017年山东大学的C h e n 课题组基于z -c u t 薄膜L N O I 材料设计并制作了1种加有底部金属反射镜的光栅耦合器[17],并对其进行了表征㊂通过在基底层和氧化层之间加入1层10n m 的金属层,可以减少光向基底层的泄露,并将从光栅耦合器中透射下来的光向上反射回光栅结构中,进而提高耦合效率㊂实验通过聚焦离子束(f o c u s e d i o nb e a m ,F I B )工艺制作了经过仿真优化后的光栅耦合器,并对其进行了测试㊂实验测得,未加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-9.1d B ,加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-6.9d B ㊂2021年上海交通大学的Y a n g 课题组基于600n m 厚的x -c u t 薄膜L N O I 材料设计了1种均匀光栅耦合器[18]㊂并进行了制造和测试,器件结构如图3所示㊂该光栅耦合器结构易于制作,与C MO S 工艺兼容,并且可以通过电子束光刻(e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y,E B L )工艺一步完成定义,然后通过干法刻蚀完成制作㊂实验结果表明,L N O I 光栅耦合器在1543n m 波长下具有-6.3d B 的峰值耦合效率,在1550n m 的通信波长下具有-6.7d B 的高耦合性能,且具有超过90n m 的3-d B 耦合带宽㊂(a)俯视(b)横截面(c)光栅结构局部放大图3 L N O I 光栅耦合器结构F i g .3 S t r u c t u r eo f L N O I g r a t i n g c o u pl e r 耦合带宽(通常以耦合效率的1-d B 点或3-d B 点为标准)是光栅耦合器除了耦合效率以外最重要的性能指标之一,然而基于S O I 材料的光栅耦合器受材料限制,其耦合带宽相对较低㊂减小光栅的等效折射率可以有效地增加光栅耦合器1-d B 点耦合带宽㊂氮化硅材料,不仅具有与硅基材料相同的的C MO S 工艺兼容性㊁低成本与较好的集成度,而且还能以较低的等效折射率实现最佳的光栅耦合性能㊂此外,由于氮化硅与二氧化硅的折射率对比度较低,可以降低光子器件对表面粗糙度的敏感性,在制造过程中就具有更高的尺寸容差㊂因此,基于绝缘体上氮化硅材料的光栅耦合器有望实现更好的相位对准容差,更低的插入损耗以及更好的热稳定性,在P I C 耦合问题的解决上具有潜在的应用价值[19]㊂113第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图4 S i N 均匀光栅耦合器截面F i g .4 C r o s s s e c t i o no f S i Nu n i f o r m g r a t i n g c o u pl e r 2019年印度科学院纳米科学与工程中心的N a m b i a r 研究小组设计并实验验证了具有底部分布式布拉格反射镜的高耦合效率S N O I 光栅耦合器[20]㊂器件结构如图4所示,在埋氧层中具有2个分布式布拉格反射镜,用来降低向基底泄露的光能量,器件采用等离子体增强化学气相沉积工艺制作㊂在具有不同氮化硅厚度(400n m 和500n m )的2个平台上设计了光栅耦合器㊂在500n m 氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在1573n m 波长处的峰值耦合效率为-2.29d B ,1-d B 耦合带宽为49n m ㊂在400n m 氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在1576n m 波长处的峰值耦合效率为-2.58d B ,1-d B 耦合带宽为52n m ㊂同年,该团队在这一设计的基础上,采用啁啾生成算法优化光栅的结构[21],进一步提高了耦合性能,实验测得在500n m 氮化硅平台上,优化后的耦合器在1571n m 波长处的峰值耦合效率提高到-1.17d B ,1-d B 耦合带宽为40n m ㊂在400n m 厚的氮化硅平台上,所设计的光栅在1572n m 波长处的耦合效率提高到-1.24d B ,1-d B 耦合带宽为39n m ㊂图5 均匀光栅上方加入S i 3N 4层的光栅耦合器结构F i g .5 S c h e m a t i cd i a g r a mo f g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e w i t hS i 3N 4l a y e r o n t o p o f u n i f o r m g r a t i n g 2020年长安大学的Z h a n g 团队设计了1种可以实现完全垂直耦合的光栅耦合器[22]㊂如图5所示,通过在均匀光栅上方加入1个S i 3N 4层,可以有效减少光的向上反射,提高耦合效率㊂在设计过程中,通过遗传算法对光栅和S i 3N 4层的结构参数进行优化㊂加入S i 3N 4层后,测得的耦合效率从57.5%(-2.5d B )提高到68.5%(-1.65d B ),上反射从17.6%(-7.5d B )降低至7.4%(-11.3d B )㊂在此基础上,通过再加入1个底部金属反射镜,可以进一步提高耦合效率,实验测得加入底部金属反射镜后,平均耦合效率提高到了87%(-0.6d B ),最高可达89.4%(-0.49d B ),且具有较大的耦合带宽,测得其1-d B 耦合带宽为64n m ,3-d B 耦合带宽为96n m ㊂该光栅耦合器的最小特征尺寸为226n m ,结构简单可以通过D U V 光刻来制作,可应用于波分复用(w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ,WD M )应用的光接口和低成本的硅光器件光纤封装㊂为了提高光栅耦合器的耦合效率与工作带宽,表1总结了近年来相关科研工作者所设计的一些均匀光栅耦合器的性能参数㊂从表1中可以看出,耦合器的材料平台主要有S O I ㊁S N O I ㊁L N O I 等3种㊂优化方法有:通过各种算法对光栅的结构参数进行优化,加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )或上部反射层;采用聚焦光栅结构或反锥度设计;采用双层光栅结构设计等㊂在1550n m 工作波长附近,对基于S O I 的均匀垂直光栅耦合器,大多采用优化其刻蚀深度㊁占空比㊁等结构参数来提高其耦合效率,这种方法在设计和制造工艺上都较为简单㊂此外便是加入上部反射层或底部反射器以及设计成聚焦光栅等方法,其中文献[22]通过在光栅上部合适位置加入1个S i 3N 4材料的反射层降低向上反射并加入底部金属反射镜后所获得的-0.6d B 的耦合效率㊁64n m 的1-d B 耦合带宽和96n m 的3-d B 耦合带宽是其中耦合效果相对最佳的㊂对基于S N O I 的均匀垂直光栅耦合器,除了采用优化结构参数与加入反射器等方法外,设计人员还提出了双层光栅耦合结构,通过增加光栅耦合器设计的自由度,从而达到提高耦合效率和增大耦合带宽的效果㊂文献[28]报道的双层光栅耦合器在不加入其他结构时,理论上耦合效率能达到-2.28d B ,1-d B 耦合带宽可达57.7n m ,耦合效果相对最好㊂文献[2930]报道的双层耦合器则在1.3μm 工作波长有较好的耦合效率与较大的耦合带宽㊂对基于L N O I 的均匀垂直光栅耦合器,由于研究较晚,目前大多采用优化结构参数与加入反射镜来提高耦合效率,文献[31]报道的L N O I 耦合器同时具有-2.97d B 的耦合效率与58n m 的1-d B 耦合带宽,与其他L N O I 均匀光栅耦合器相比是最好的1个㊂213沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表1 均匀光栅耦合器性能参数T a b l e1 P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r 文献年份材料平台工作波长n m耦合效率d B1-d B 耦合带宽n m 3-d B 耦合带宽n m 优 化 方 法[15]2018S O I 1550[22]2020S O I1550[16]2019S O I /S i 3N 41582[23]2017S O I1550[24]2015S N O I 1550[20]2019S N O I 1573[25]2016S N O I 1550[2627]2017S N O I 1567[28]2018S N O I 1550[2930]2018S N O I 1306[31]2020L N O I 1550[17]2017L N O I 1550[18]2021L N O I 1550[32]2020L N O I 1550[33]2018L N O I 1550 -3.60-0.60T E :-3.87TM :-4.84-2.49-1.47-2.29-3.70-3.60-2.28-2.20-2.97-6.90-6.70-5.82-3.06 48优化结构参数64.096上方反射层,底部金属反射镜 4947双光栅自聚焦光栅70.0 S iG R 49.0 D B R54.0 聚焦光栅和逆锥度70.0 S i 3N 4-o n -S O I 57.7 S i 3N 4双层光栅72.9 S i 3N 4-S i 双层光栅58.0金属光栅D B R90结构参数优化 57反锥度设计55.0单晶硅光栅2 非均匀光栅耦合器为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高耦合效率,科研工作者基于均匀光栅设计出了许多性能优异,相较于均匀光栅具有更高耦合效率和更大耦合带宽的非均匀光栅耦合器㊂与均匀光栅耦合器相同,非均匀光栅耦合器目前大多数也都是基于S O I ㊁S N O I ㊁以及L N O I 材料的㊂2017年,加拿大麦吉尔大学的W a n g 团队报道了2种应用于O 波段的单蚀刻亚波长光栅耦合器(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g c o u p l e r ,S WG C )[34],1种针对高耦合效率,另1种针对大工作带宽,器件结构如图6所示㊂设计的器件属于1维亚波长光栅(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g ,S WG ),结构较为简单,只需要1个刻蚀步骤即可完成,可以使用电子束光刻技术制造㊂测试结果显示高效S WG C 的实测峰值耦合效率为-3.8d B ,3-d B 带宽为40n m ,大宽带S WG C 的实测峰值耦合效率为-4.3d B ,3-d B 耦合带宽为71n m ㊂通过在埋氧层和硅衬底的界面处放置1个金属层来模拟带有底部反射镜的S WG C ,此时高效S WG C 和大宽带S WG C 的耦合效率可分别提高到-1d B 和-1.3d B ;3-d B 耦合带宽也可分别提高到46n m 和86n m ㊂此外,设计的S WG C 使用了聚焦光栅以减少设计尺寸,制成的S WG C 的尺寸小于45μmˑ24μm ,较小的尺寸便于集成,且S WG C 在1260n m 至1360n m 的波长范围内的背反射被抑制为低于-15d B㊂(a )高效O 波段S WG C (b )大宽带O 波段S WG C图6 高效O 波段S W G C 和大宽带O 波段S W G C 的横截面F i g .6 S c h e m a t i c c r o s s -s e c t i o no f h i g h -e f f i c i e n c y O -b a n dS WG Ca n d l a r ge -b r o a d b a n dO -b a n dS W G C 2019年日本九州大学的H o n g 和武汉理工大学的Qi u 团队从理论上和实验证明了1种具有多层313第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图7 切趾S i N x 波导光栅耦合器结构F i g .7 S t r u c t u r ed i a g r a mo f a po d i z e dS i N x w a v e g u i d e g r a t i n g c o u pl e r 底部反射器的高效切趾氮化硅波导光栅耦合器[35],器件结构如图7所示㊂他们提出了1种基于S N O I 材料的光栅耦合器,具有超高效率和简单的制造工艺,不使用底部分布式布拉格反射器或金属反射器,而是使用具有相当反射率的底部硅光栅反射器(S iG R )来提高耦合效率㊂完全蚀刻的S iG R 是基于工业标准的绝缘体上硅(S O I)晶圆设计㊂通过适当调整S iG R 的沟槽宽度和周期长度,可以获得超过90%的高反射率㊂光栅耦合器和底部S iG R 之间有适当的距离,通过对光栅做切趾处理后,耦合器峰值耦合效率可达-1.75d B ,3-d B 耦合带宽为76.34n m ,他们还研究了具体的制造工艺和公差,与D B R 相比,底部S iG R 可以通过单步图案化和蚀刻轻松制造,简化了制造工艺㊂光栅耦合器的背反射对耦合效率的影响也很大㊂背反射主要来源于2个方面:光栅耦合器的2阶反射和输入波导与光栅耦合器的边缘产生的菲涅耳反射㊂对于2阶反射,可以利用在光纤与光电子集成电路表面设置大约10ʎ的倾斜耦合角度来抑制,但在实际应用过程中受到了一定限制,而且封装也比较困难[36]㊂而二元闪耀光栅[3738]对于消除2阶反射来说是1个较好的选择,闪耀光栅可以将所有衍射光 闪耀 成单个衍射级,抑制第2级和高级次衍射,并可提高光栅的效率和方向性㊂其他类型的闪耀光栅,例如三角光栅和平行四边形光栅,不能用标准刻蚀工艺制造㊂二元闪耀光栅由均匀高度的可变子波长柱组成,它是闪耀光栅的三角形齿形的2进制形式,并且可以在1个刻蚀步骤中制造㊂2018年美国斯坦福大学的S u 团队提出了1种基于梯度算法的1维光栅耦合器的设计与优化方法,并基于此方法设计了1种闪耀光栅耦合器[39]㊂其结构如图8所示,光栅闪耀角为50ʎ,它只需要1次蚀刻就可以完成,而且没有背反射镜㊂实验测得其插入耦合损耗小于0.2d B ,1-d B 耦合带宽为26n m ㊂图8 闪耀光栅耦合器结构F i g .8 S t r u c t u r ed i a g r a mo f b l a z e d g r a t i n g c o u pl e r 2021年,上海交通大学的X u 课题组提出了1种基于绝缘体上硅(S O I )平台上的高性能二元闪耀光栅耦合器(b i n a r y b l a z e d g r a t i n gc o u pl e r ,B B G C )[40],以实现完美的垂直耦合,器件结构如图9所示㊂利用粒子群算法优化了光栅周期㊁子光栅填充因子㊁蚀刻深度㊁埋氧层厚度等关键参数,并通过实验证明了在1550n m 波长时设计的B B G C 的耦合效率为-3.69d B ,3-d B 耦合带宽约为70n m ㊂该B B G C 结构的最大长宽比约为1.35,与以前报道的B B G C 相比,它更容易制造㊂B B G C 在S O I 平台上的实现简单㊁可重复,并与标准的C MO S 工艺兼容㊂图9 二元闪耀光栅耦合器结构F i g .9 S c h e m a t i cd i a g r a mo f b i n a r y b l a z e d g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e 图10 L 形光栅耦合器结构F i g .10 S c h e m a t i cd i a g r a mo f L -s h a p e d g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e 2017年法国巴黎萨克雷大学的B e n e d i k o v i c 课题组设计了1种具有低反射和高方向性的用于光纤与芯片耦合的L 形光栅耦合器[41]㊂器件通过使用193n m 深紫外光刻制造,其结构原理图如图10所示,L 形结构由1个深刻蚀和1个浅刻蚀工艺完成㊂另外通过加入1个亚波长光栅作为波导与耦合光栅之间的过渡区,可以将耦合光栅的反射率降至1%(-20d B )㊂实验测得工作在1560n m波长下的耦合效率为-2.7d B (54%),3-d B 耦合带宽为62n m ㊂413沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图11 高效光栅耦合器结构F i g .11 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh i g h -e f f i c i e n c yg r a t i n g c o u pl e r 同年,W a t a n a b e 课题组采用2步刻蚀技术,在220n m 厚的标准S O I 晶片上成功地制作出可以实现完全垂直耦合的高效光栅耦合器[42],其结构如图11所示,具有防背反射结构和闪耀光栅结构㊂对其做切趾处理后,通过模拟和实验测试证明所设计的光栅结构有效地抑制了背反射,提高了耦合效率㊂在1533n m 波长条件下的耦合效率为-1.5d B ,3-d B 耦合带宽为49n m ㊂此外,他们所设计的光栅耦合器与标准的硅光子学技术兼容,易于制造,并且由于可以实现完全垂直,可以作为空分复用(s p a c e d i v i s i o nm u l t i pl e x ,S D M )的输入/输出器件,提高硅光子学芯片集成密度,同时可大大降低封装难度,更有利于封装与片上测试㊂图12 双刻蚀光栅耦合器横截面F i g.12 C r o s s s e c t i o n a l v i e wo f t h ed o u b l e e t c h i n gg r a t i n g c o u pl e r 2017年,英国南安普顿大学的C h e n 课题组设计了1种可以在1310n m 波长附近实现高效耦合的双刻蚀光栅耦合器[43],器件结构如图12所示㊂为了提高耦合器的方向性,他们使用基于70和190n m 沟槽交错蚀刻的方法将方向性提高到了0.95㊂通过使用亚波长结构并对光栅进行了切趾处理,增加了与光纤的模式匹配,减少了对波导的背反射,进一步提高了耦合效率㊂实验测得,采用I C P 刻蚀工艺制作的光栅耦合器的峰值耦合效率为-1.9d B ,1-d B 耦合带宽为23n m ㊂2020年,山东青年政治学院的陈志华团队在L N O I 平台上设计了1种具有啁啾和切趾结构的光栅图13 L N O I 平台上的啁啾和切趾光栅耦合器结构F i g .13 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec h i r p e da n da po d i z e d g r a t i n g c o u p l e r o nL N O I pl a t f o r m 耦合器[44],器件结构如图13所示㊂仿真得到的耦合效率为-1.8d B ,3-d B 耦合带宽为90n m ,加入底部金属反射镜后,耦合效率可提高到-0.8d B ,他们采用F I B 技术制做了所设计的耦合器,实验测得耦合效率为-6.9d B ,3-d B 耦合带宽为82n m ,带有底部金属反射镜的为-5.5d B ㊂他们仿真与实验测得结果的差异主要是加工精度造成的,如果可以更精确地控制制造精度,设计具有啁啾和切趾结构的光栅耦合器可成为单模光纤和L N O I 器件之间耦合的良好解决方案㊂表2总结了近年来报道的部分非均匀光栅耦合器的相关性能参数㊂对比表1与表2的数据可以看出,对于相同材料的光栅耦合器,采用非均匀的光栅结构耦合效率更高,带宽也更大㊂所采用的非均匀结构有闪耀光栅结构㊁二元闪耀光栅结构㊁切趾光栅结构㊁啁啾光栅结构㊁L 形或阶梯形结构以及基于等效折射率的亚波长结构等㊂这些非均的结构打破对称结构限制,可以使光更多地衍射到入射平面的一侧,从而大大提高衍射效率㊂同时,对于非均匀光栅耦合器也可以采用加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )来进一步提高耦合效率㊂对于S O I 非均匀光栅耦合器,文献[39]采用闪耀光栅设计得到的-0.2d B 的耦合效率是其中最高的,但是其耦合带宽较小,文献[45]采用分段式光栅耦合器则是其中耦合带宽最大的,3-d B 耦合带宽达71.4n m ㊂此外,采用S WG 设计的S O I 光栅耦合器,设计的自由度更高且耦合效率较高,耦合带宽也不低㊂对于S N O I 非均匀光栅耦合器,文献[35]通过在氧化层中加入S i G R 降低光波向硅基底的泄露并对光栅做切趾处理得到的76.34n m 的3-d B 耦合带宽是其中最高的,并且具有-1.75d B 的较好的耦合效率㊂对于L N O I 非均匀光栅耦合器的报道不多,其中文献[44]报道的采用啁513第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.啾和切趾结构的光栅耦合器在加入底部金属反射镜后具有-0.8d B的耦合效率与90n m的3-d B耦合带宽,是其中的最佳值,这种光栅耦合器结构与文献[46]报道的结构类似,可以使光栅与光纤的模场更加匹配,有效提高耦合效率㊂表2非均匀光栅耦合器性能参数T a b l e2P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f n o n-u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r文献年份材料平台工作波长n m耦合效率d B1-d B耦合带宽n m3-d B耦合带宽n m耦合效率提高方法[45]2018S O I1550-2.86 71.40分段式[42]2017S O I1533-1.50 49.00闪耀光栅[41]2017S O I1560-2.70 62.00L形结构[40]2021S O I1550-3.69 70.00B B G C[39]2018S O I1550-0.2026 闪耀光栅[20]2019S N O I15711.1740 啁啾光栅㊁D B R [2627]2017S N O I1567-2.5065 双层切趾光栅[46]2018S N O I1550-0.99 啁啾切趾光栅[35]2019S N O I1550-1.75 76.34切趾光栅㊁S iG R [4748]2017/2016S N O I1550-1.30 60.00切趾㊁阶梯结构光栅[49]2019S O I1550-0.2529~4054.00~68.00S WG[43]2017S O I1310-1.9023 双刻蚀[34]2017S O I1550-1.00/-1.30 46.00/86.00S WG[50]2020S O I1549-0.5039 D B R㊁非周期光栅[44]2020L N O I1550-0.80 90.00啁啾切趾光栅[51]2021L N O I1550-3.72 35.00切趾光栅[52]2019L N O I1550-3.60 48.00啁啾光栅3结论光栅耦合器作为光耦合结构的1种,具有制作工艺与传统微电子C MO S工艺兼容㊁工艺容差大㊁易于对准㊁易于集成㊁在光芯片平面内的任意位置都可以实现光的输入或输出㊁可以灵活布置I/O端口位置㊁可以进行片上测试并且不需要划片与端面抛光等优点,是目前作为光纤与芯片波导耦合最常用与最有竞争力的耦合方式㊂但是单纯的均匀结构光栅耦合器的耦合效率并不太高,最大仅为50%,且耦合带宽较小;因此,研究新的结构减少光的向后反射㊁向上反射和向基层的泄漏以及二阶衍射的影响,实现更高耦合效率和更大耦合带宽仍是目前需要解决的问题㊂本文针对硅基垂直光栅耦合器,总结了近年来国内外的一些研究成果㊂对均匀和非均匀2类不同结构的光栅耦合器进行了分析总结,列举了近年来所报道的对于光栅耦合器的一些研究进展,总结了其提高耦合器耦合带宽和耦合效率所用的方法㊂近年来国内外对基于S O I㊁S N O I和L N O I平台的光栅耦合器的研究表明,对于均匀光栅耦合器,通过加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅的设计可以有效提高其耦合效率和耦合带宽;对于非均匀光栅耦合器,可采用非均匀的结构设计,例如切趾光栅㊁啁啾光栅㊁闪耀光栅㊁二元闪耀光栅和亚波长光栅(S WG)等结构,同时也可以在此基础上采用加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅设计等方法进一步提高其耦合效率和耦合带宽㊂这些研究为未来继续发展高耦合效率㊁大耦合带宽的垂直光栅耦合提供了思路,随着研究的更加深入以及制作工艺的更加成熟完善,将会有更多性能优良,制作简单的光栅耦合器被报道并得到实际产品化应用㊂参考文献:[1]D A YI,E V A N SI,K N I G H T S A,e ta l.T a p e r e ds i l i c o n w a v e g u i d e s f o r l o wi n s e r t i o nl o s sh i g h l y-e f f i c i e n th i g h-s p e e de l e c t r o n i cv a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r s[C]ʊO F C2003O p t i c a l F i b e rC o mm u n i c a t i o n sC o n f e r e n c e.M a r c h28-28,2003,A t l a n t a,G A,U S A.I E E E,2004(1):249251.[2]S U R E A,D I L L O N T,MU R A K OW S K I J,e t a l.F a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h r e e-d i m e n s i o n a l s i l i c o nt a p e r s[J].O p t i c s 613沈阳大学学报(自然科学版)第35卷Copyright©博看网. 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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，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
硅波导厚度
硅波导厚度全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：硅波导是一种广泛应用于光通信和光电子器件中的光学波导结构。
在硅光子学中，硅波导的厚度对其光学性能和应用有着重要的影响。
本文将就硅波导厚度对其特性和应用的影响进行详细探讨。
硅波导的厚度通常是指硅基板上的硅膜的厚度，常用的厚度包括220 nm、300 nm、400 nm等。
硅波导的厚度决定了其光学模式的传输特性，包括色散关系、波导损耗以及模式耦合等。
较薄的硅波导会引起模式的窄带宽性，对高速光通信系统具有一定的优势，而较厚的硅波导则适用于集成光电子器件中的耦合问题。
在硅波导中，硅膜厚度的选择对于波导损耗有着直接的影响。
一般情况下，硅波导的损耗随着波导宽度的增大而减小，但会随着硅膜厚度的增加而增加。
相对来说，较薄的硅波导对光的吸收和散射较少，损耗较小，适合于短距离的光通信系统。
而对于长距离的光通信系统，为了降低波导损耗，可以适量增大硅波导的厚度。
硅波导的厚度也会对其色散关系产生影响。
色散关系是指光在硅波导中传输时，光的波长与波导模式的传输速度之间的关系。
硅波导的厚度会影响波导的有效折射率，进而调节波导的色散性质。
较薄的硅波导通常具有波导色散较小的特点，适合于光子器件中需要较小波导色散的场合。
对于硅波导的应用来说，硅波导的厚度选择也会对其模式的耦合方式产生影响。
在硅光子学中，波导的模式往往需要与其他光学器件进行耦合，硅波导的厚度选择会影响到波导模式的形状和传输特性，进而影响到波导的耦合效率。
在设计硅波导光学器件时，需要根据具体的应用场景和需求来选择适当的硅波导厚度。
硅波导的厚度对其光学性能和应用有着重要的影响。
在实际应用中，硅波导的厚度选择需要考虑波导损耗、色散关系和模式耦合等因素，以实现硅波导在光通信和光电子器件中的最佳性能。
随着硅光子学技术的不断发展和完善，硅波导的厚度选择将继续成为硅光子学研究和应用中的重要问题之一。
第二篇示例：硅波导是一种在光通信和光电子领域中广泛应用的光学器件，其厚度在器件性能和制备工艺中起着至关重要的作用。
硅基光波导开关技术综述
硅基光波导开关技术综述涂鑫;陈震旻;付红岩【摘要】硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍,并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结;然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术,特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面;最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望,其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)010【总页数】15页(P1-15)【关键词】光开关;硅光子学;光互连;光子集成【作者】涂鑫;陈震旻;付红岩【作者单位】清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055【正文语种】中文1 引言近年来,互联网通信数据容量每年以50%—60%的速度迅速增长,人们对带宽的需求越来越大.运营商在电信长途骨干网和城域网建设中遇到了电交换的瓶颈：电交换设备单机容量达到上限；5G网络的回传时延指标对交换节点的性能提出了更严格的要求；网络节点的电交换设备功耗高达万瓦,耗电量接近了许可极限,耗电量的80%源自光电/电光转换和电交换开关.因此光交换技术的优势日益凸显,基于波长选择开关(wavelengthselective switch,WSS)和自由空间微电子机械系统(micro-electromechanical system,MEMS)的光开关技术已被部署用于关键网络节点的可重构光分插复用(reconfigurable optical add-drop multiplexer,ROADM)设备中,实现了波长和端口通道毫秒量级的数据链路切换时间[1-3].在短距数据中心网络中,经常需要根据动态需求进行网络重构.目前,数据中心网络中的重配置主要是由高速电交换开关来完成：输入光信号被转换成电信号,在电域完成交换之后再被转换回光信号输出.尽管电学信号的放大、整形和同步技术成熟,但是光/电/光(O/E/O)转换通常需要光收发器,即用于光/电转换的接收机和用于电/光转换的发射机,这给交换系统带来极大的转换功耗.同时,由于电交换与光波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)不兼容,每条光链路都要通过复用器、解复用器以及多路O/E/O的转换,这就增加了交换节点的数据链路重构的复杂性和硬件成本.光交换与电交换相比,无需进行O/E/O转换,且对数据比特率、信号格式和协议是透明的,具有更低的功耗和硬件成本优势.虽然光开关的速度(从纳秒到毫秒取决于不同技术方案)仍然比电开关的速度慢(亚纳秒),但是它可以处理通信中缓慢变化的数据部分(例如数据流和长分组数据包),同时指定电交换来处理通信中的突发数据部分(例如短分组数据包),并各自发挥自身优势,有望成为未来数据中心网络最具潜力的交换技术[4].此外,随着云计算的出现、物联网的发展以及人工智能的兴起,具有高带宽和大数据传输容量的动态数据交换技术将广泛地用于高性能的数据密集型计算中,服务于健康信息学、网络安全、市场营销、金融和国防等领域[5].这类应用场景要求开关芯片可实时处理大量具有随机性和探索性的数据,实现对频繁的短消息纳秒量级的快速交换.然而在过去二十年内,集成电路芯片中的带宽快速增长受到了管脚密度和金属引线等电子瓶颈.芯片功耗正以每三年翻倍的速率增长,并持续趋近电子器件的功耗所能够承受的温度极限,大部分能耗集中在主板的电信号传输线和O/E/O转换过程.因此,采用新的微处理器架构和光交换技术有望显著改善片上互连的带宽和时延特性.未来百亿亿次浮点运算要求功耗降低到pJ/b量级,成本控制在¢/Gb/s量级[6],采用传统的电信号交换技术将无法满足,光信号交换将为解决该通信需求提供新的途径与方案.由此可见,无论是数千公里的电信网络交换还是几厘米的计算机核间并行计算,都需要光开关技术来实现特定数据流配置的业务模式.近些年几种典型的光开关被广泛地研究,包括MEMS[7]、硅上液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)[8]、铌酸锂波导[9]、III-V族半导体光放大器[10]、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[11]和微环谐振器(micro-ring resonator,MRR)[12].与铌酸锂、III-V族平面波导回路芯片和MEMS平台相比,基于绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)平台的硅基光电集成芯片具有以下优势：1)体积只有传统二氧化硅器件的1/1000,器件密度高；2)能够与III-V族有源光器件和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)电路实现单片集成；3)加工工艺与先进微电子技术共享成熟的CMOS技术制造平台,波导侧壁粗糙度可控制在纳米量级以内；4)可以采用12英寸SOI晶圆量产,器件成本可降低到IIIV族器件的1/3以下[13]；5)热光效应和等离子体色散等非线性效应强,驱动功耗低；6)硅材料在通信波段透明且响应速率快,极高带宽、超快传输与调制速率；7)与电子器件相比,硅光器件采用近红外光信号传输数据,不受电磁波干扰,具有高抗干扰性和高可靠性.此外,与传统的基于单一工艺和单一材料的光学器件相比,硅基光电集成芯片的材料与工艺的多元化特点决定了它的丰富功能,不仅实现了光开关集成回路(包括波导、相移器、探测器和模斑耦合器等),还实现了电子集成回路(晶体管和电容、放大电路等),从而节约了单个元器件的封装成本.本文首先回顾近年来硅基光波导开关的发展现状,对不同原理和结构的硅基光波导开关的特点进行分析和总结,包括MZI型、MRR型和MEMS驱动波导型.随后介绍自己最新的研究成果,分析影响开关矩阵性能的关键技术.最后,对硅基光波导开关技术研究的技术挑战进行分析,并提出了硅基光波导开关技术未来的潜在研究方向.2 硅基光波导开关引擎2.1 MZI型MZI型光开关单元是最简单的大宽带干涉型开关引擎.由于其不受信道间隔和网格配置的限制,非常适用于WDM系统中的多波长复用光链路的空间端口切换场景.典型的MZI型2×2光开关单元如图1(a)所示,由两个50：50的分束器和两个长度相同的波导组成,并在其中一臂上制作电极,利用硅的热光效应或者注入载流子产生的等离子色散效应,改变一臂的波导折射率,形成相移器.当两臂光信号的相位差达到0或π,输出端口的光信号发生相干相长或相干相消,实现光信号切换.热光波导开关可以实现亚微秒至毫秒量级的端口切换,适用于大型数据中心间互联(Data Center Interconnection,DCI).由于硅在室温下具有较高的热光系数=1.86×10¯4/K[14],因此硅波导热光开关比二氧化硅热光开关具有更高的效率.热光相移器的相移Δφ 可以表示为图1 (a)MZI型2×2光开关单元结构示意图.硅基波导开关相移器的横截面图(b)金属薄膜热电极热光相移器；(c)掺杂波导热光相移器；(d)空气隔离层的热光相移器；(e)注入载流子型电光相移器Fig.1.(a)Schematic of 2×2 MZI switch cell.Cross-sections of waveguide phase shifters：(b)Thermo-optic phase shifter using a metal heater；(c)thermo-optic phase shifter using a doped resistiveheater；(d)suspended thermo-optic phase shifter using a metal heater (e)carrier injection phase shifter.其中λ 是波长,ΔT 是相移器上热调谐的温度改变量,L是相移器的长度.热电极通常有两种结构[15],一种是位于硅波导上方的金属薄膜热电极(TiN,Pt,W等),如图1(b)所示.注入的电流产生的焦耳热通过波导的包覆层二氧化硅传递给硅波导,并改变其温度和折射率.这种金属薄膜热电极的热效率受到包覆层热导率和热电极与波导的间距的限制,开关功耗通常在毫瓦量级.另一种是在脊型波导的中心进行轻掺杂,两侧部分刻蚀平台区重掺杂,形成欧姆接触电阻,如图1(c)所示.这种热电极,由于直接与硅波导的光信号模场中心重合,具备更快的时间响应特性和更高的热效率,但掺杂材料对光信号会产生吸收,因此损耗更高.由于硅光集成芯片能耗大部分来自于热光相移器,降低热调谐功耗能够提升器件密度,一种有效的手段是在热电极附近通过各向同性硅刻蚀工艺引入空气隔离槽,如图1(d)所示,使加热的波导臂悬空,降低硅波导向四周的热耗散.然而,空气隔离槽提升加热效率的同时延长了热光相移器的时间响应常数.因此需要器件结构优化设计,获得开关时间与功耗之间的平衡.与热光波导开关不同的是,电光型波导开关可以实现纳秒量级的端口切换,适用于数据中心内网络(Data Center Network,DCN)交换和微处理器片上的互连.注入载流子型相移器是正向偏置的PIN结二极管,如图1(e)所示.根据等离子色散效应[16,17],硅的折射率变化可以写成其中ΔN 和ΔP 是电子和空穴的载流子浓度变化量.同时,载流子浓度的改变也影响硅的吸收系数,即其中Δα 是系数的改变量,由(2)式和(3)式可以看出,当ΔN 和ΔP 增大(即正向偏置)时硅波导的折射率会降低,同时注入的载流子引起吸收系数的增大,导致光功率的损耗变大,从而MZI的两臂光信号损耗不相同,引起串扰的恶化.另一方面,由于硅的热光效应,正向偏置产生的热效应会增加硅波导的折射率,与注入载流子引起的折射率变化趋势相反,因此降低调制效率.为了改善此问题,人们提出采用推拉的双臂驱动设计[18,19]：即将两臂的初始相位差设置成π/2,在两臂上分别通过注入载流子的方式产生附加的±π/2 的相位差,从而实现光信号端口切换所需的0或π 的相位差.与传统的单臂驱动设计相比,双臂驱动的两臂上施加的驱动电流更小,引入的损耗和串扰更低.此外,PIN结二极管还常与热光相移器集成,用于补偿工艺容差带来的相位差,而不引入额外的损耗.表1中列举了典型的MZI光开关研究现状.为了降低功耗,Fang等[20]采用隔离槽技术使得热光开关的功耗分别降低至0.5 mW,开关速度达到0.3 ms；Dong等[21]采用4 mm长的螺旋波导相移器有效降低了偏置电流,注入载流子开关功耗仅0.6 mW；Lu等[22]采用折叠波导相移器增加了热电极与波导的接触长度,热光开关功率低值50 μW.为了扩大光学带宽,Watts等[23]和Chen等[24]分别提出绝热耦合器和弯曲耦合器,使光学带宽超过100 nm.为了降低串扰,Suzuki等[25]提出采用可调谐3 dB耦合器去动态弥补另一个3 dB耦合器的加工误差,从而获得—50 dB的超低串扰；Dupuis等[26]报道了一种一臂内嵌MZI相移器,另一臂集成可调衰减器的光开关,这种结构通过内嵌MZI和可调衰减器的损耗平衡,在保持两臂损耗相同的前提下实现相位从0到π 的调谐,从而实现了—34.5 dB的串扰.在我们最新的工作中[26],在IME的220 nm×500 nm SOI硅波导的平台上,采用标准的TiN热电极相移器,通过对多次折叠波导和空气隔离槽结构的优化,实现了两种情况下的热光硅波导开关单元：1)引入空气隔离槽层：开关时间1.34 ms,开关功耗0.5 mW；2)无空气隔离槽层：开关时间70 μs,开关功耗10 mW.2.2 MRR型与MZI型光开关不同,MRR型光开关单元是具有波长选择性的谐振型开关引擎[28],其谐振波长与谐振腔的尺寸关系如下：其中R是谐振器半径,neff是模式的有效折射率,m是模式的阶数,λ是谐振波长.由于谐振特性可以增强相位,它具有更低的功耗和更小的体积,受到大家的关注.典型的MRR型2×2光开关单元如图2(a)所示,由输入—直通波导、上载—下载波导和可调谐的微环组成.当WDM系统中的信道间隔和网格配置与微环谐振器的自由光谱程相和谐振频率适配时,波长交换可以通过热光效应或者等离子体色散的电光效应调谐MRR的相移器进行实现.如图2(b)所示,当输入光信号的波长λ2落入微环的谐振波长时,可以从下载端口输出；同时非谐振光信号波长λ1和上载端口输入的相同波长λ2’的光信号从直通端口输出,实现波长交换.尽管微环谐振器型光开关功耗低、体积小,但是实际应用中需要克服两个主要技术障碍：第一,单个微环的滤波谱线呈现洛伦兹线性,限制了光信号带宽和信道间串扰；第二,微环的谐振波长对芯片环境和加工误差非常敏感,实时锁定谐振波长,不受温度和激光器波长漂移是实际应用的关键保障.表2总结了近年来MRR型光开关单元的代表成果.为了增大带宽,级联微环的结构常常用来整形滤波谱线,实现近似矩形的两边陡直中间平顶的滤波窗口[29-33]和宽带无中断的调谐[34].近期,Lu等[35]提出了一种MRR与MZI相结合的结构,上臂耦合的MRR工作在波长λ1,下臂耦合的MRR工作在波长λ2.当调谐其中一个MRR的波长到(λ1+λ2)/2时,两臂产生π的相位差,开关状态发生改变.这种结构结合了MRR的共振增强和MZI的双光束干涉原理,具有更小的功耗.常用的稳定谐振波长方法包括被动型和主动型两类.被动型采用负热光系数的材料(例如聚合物[36,37],TiO2[38,39])与硅波导相结合,降低材料对环境温度的热敏感性.主动型则是将硅基波导上各种形式的光探测器与反馈算法相结合,实施调节微环的谐振波长以确保开关输出光强最大[40,41].随着片上光系统的扩容和模分复用的广泛研究,基于MRR的模式光开关技术也被提出,采用多模波导和模式转换实现不同阶数的模式之间的交换,进一步增加了片上光交换系统的容量[42-44].表1 业界MZI型硅基波导光开关的代表成果Table parison table of MZI optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构相移器类型相移器长/μm 开关时间功耗/mW损耗/dB串扰/dB[18]2015IBM电光PIN2504 ns11—23 [19]2013CAS电光PIN400——31 [20]2011IME热光TiN1000144 μs0.490.3—23 [21]2010Kotura电光PIN40006 ns0.63.2—16 [22]2015UBC热光TiN4270780 μs0.053.3—26 [23]2013MIT热光掺杂硅～102.4 μs12.70.5—20 [24]2016ZJU热光TiN20——20 [25]2014AIST热光TiN～15010 μs300.5—50 [26]2016IBM电光PIN2504 ns—2—34.5 [27]2016Huawei热光TiN2501340/70 μs0.5/100.5—22图2 (a)MZI型光开关单元结构图示意图；(b)波长开关路径Fig.2.(a)Schematic ofa MRR switch cell；(b)switching paths.2.3 MEMS驱动波导型无论是MZI型还是MRR型光开关,都是基于光波导中光强的干涉与谐振原理实现信号传播路径改变,因此相位对工艺容差和环境的敏感性限制了单级开关的串扰和损耗,从而影响开关矩阵的规模.近期,一类新型的基于硅光子平台的静电MEMS驱动波导型光开关被广泛研究,相关代表成果如表3所示.Seok等[45]提出的在双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,通过静电调节两层波导形成的平行平板驱动器之间的垂直间隙来切换光信号.由于光信号总是在底层波导中传播,除非需要切换到其他路径,因此光信号重定向的功能与光开关节点处的直通传输的功能解耦,损耗和串扰不会在交换结构中积累.此外,上层波导和底层之间添加的止动部件实现了数字型驱动,简化了控制并实现了相当低的光学串扰.该器件在42 V的驱动电压下具有0.91 μs的切换时间和超过300 nm的带宽和—60dB的串扰.Abe等[46]和Takahashi等[47]采用水平梳齿驱动器实现了驱动电压更低、微秒量级切换速度的可动方向耦合器[46]与微环谐振器[47],是一种新型低串扰的波长选择性光开关.近期,Briere等[48]在硅基旋转型梳齿驱动器平台上集成低传输损耗的氮化硅波导,通过端面耦合实现了低于—40 dB串扰的1×N光开关.由于该器件采用端面对接耦合,具有超宽带的特性.然而缺点是由于可移动部件的质量很大,响应时间较慢(约300 μs),而且驱动电压高达约118 V.表2 业界MRR型开关的代表成果Table parison table of MRR optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构损耗/dB串扰/dB功耗/mW开关时间带宽/nm[30]2011Columbia U——12——2.78 ns0.56[31]2009HKUST1.64—11～0.11.3 ns0.45 [32]2012IME4.3—10371 ns0.8 [33]2014TU/e2—2012017 μs0.8 [34]2009Cornell U2—9.817.47 ns0.48 [35]2014SJTU3.4—200.69(电光)2.3(热光)414 ps0.48表3 业界MEMS驱动波导型开关的代表成果Table parison table of MEMS optical waveguide switch cells.研究机构UC Berkeley[45]TohokuU[46]Tohoku U[47]Aeponyx Inc[48]驱动电压/V422628.2118开关时间/μs0.9118——300插入损耗/dB0.4712.614.8带宽/nm300——0.5宽带串扰/dB—60—17—32.9—403 硅基光波导开关矩阵在过去的几年中,硅基光电子集成技术得到了迅猛发展.随着CMOS工艺和晶圆技术的不断提升,在一块芯片上类似于电子集成电路那样单片集成数千个光子器件单元的愿景逐渐变成现实.不少研究机构和电信设备公司在硅基光电子集成平台上对大规模的硅基波导光开关矩阵进行了广泛的实用化研究.本节总结了业界大规模硅基光波导开关矩阵的代表成果,主要是基于上述三种光开关引擎的扩展应用.3.1 MZI型开关矩阵2011年至2015年期间,两种基于MZI技术的8×8硅波导光开关被Nakamura等[49,50]提出.它们作为转发聚合器(transponder aggregator)中的波长上传/下载开关矩阵,在城域网ROADM交换节点中具有无色、无方向和无冲突(colorless,directionless,contentionless,CDC)的功能.两种开关矩阵均采用1.5 μm厚的脊型硅波导层的SOI平台,通过热光调谐不仅实现了微秒级切换速度且偏振无关的开关特性,还使芯片与光纤之间的耦合变得更简单.2012年,Chen和Chen[51]报道了一种基于MZI的8×8硅波导光开关,这是首次在220 nm薄硅波导层SOI平台上实现的光开关矩阵,验证了高密度的光开关单元、交叉波导和脊型波导转化器等无源器件的集成.开关矩阵总面积为8 mm×8 mm,采用空气隔离槽提高热光相移器调谐效率,整块芯片的驱动功耗只有0.07 W,同时通过switch-&-select拓扑架构实现了片上最低损耗为4 dB,任意两个端口之间的串扰低于—30 dB.2014年,Dupuis等[52]和Lee等[53]分别报道了基于MZI型的4×4[52]和8×8[53]电光开关矩阵与数字型CMOS逻辑驱动电路的集成方案.这是第一个在90 nm硅光子集成工艺平台上实现光子芯片与CMOS逻辑驱动芯片单片集成的成果报道.驱动芯片包括标准逻辑单元,形成串行—并行接口,用于寻址连接到基于逆变器的驱动器的每个开关单元,并直接驱动开关电极.光子芯片包括电光相移器、热光补偿器和交叉波导等无源器件.8×8芯片总面积为0.675 mm2,开关时间为5 ns,总驱动功率小于50 mW.2015年,32×32的热光硅基波导光开关矩阵被Tanizawa等[54]第一次报道.此开关芯片是在45 nm CMOS工艺线上采用12寸SOI晶圆完成加工,芯片之间保持良好的一致性.开关矩阵总共包含1024个开关单元和961个方向耦合器型波导交叉,各条光路损耗具有良好的一致性.通过LGA转接板实现倒装焊电封装,芯片的总面积仅为11 mm×25 mm,是传统32×32 PLC芯片的1/46.芯片通过FPGA控制热光相移器,采用脉冲宽度调制驱动方式,开关时间为30 μs.2016年,Lu等[55]报道了MZI型16×16 Benes架构的电光开关,可以通过热光调谐补偿工艺容差和环境变化带来的相位差.随后,目前业界端口数最多的MZI型32×32的电光开关矩阵[56]和64×64的热光开关矩阵芯片[57]被Qiao等报道.他们通过优化算法,在矩阵的中间级设置数目尽可能少的片上光电监控器,用于优化开关路径和驱动状态,并在电光开关中采用推拉的双臂驱动设计来将片上损耗降低到18.5 dB,串扰为—15 dB.近期,我们报道了基于优化的Hybrid Dilated Benes拓扑架构的32×32热光开关[58].采用这种独创的新型拓扑架构,相同规模的光开关矩阵所需开光单元更少并获得更低的串扰.光开关芯片采用IME的8英寸晶圆工艺平台进行加工,总面积为12 mm×12 mm,包含 448个热光开关单元,1856个波导交叉,864个片上光电二极管监视器和68个模斑转换器.热光相移器和光电二极管通过FPGA和模数转换DAC 驱动控制,用于开关单元的自动初始化和驱动电流的实时校准,以此保持最低的串扰.芯片的电学封装采用金属引线键合方式实现1560个焊盘与CBGA陶瓷基座的连接,并且通过CuW衬底和TEC进行散热控制；光学封装采用68芯保偏光纤,通过PLC连接器与硅光子芯片对接耦合,耦合损耗小于3.2 dB.开关矩阵中最短光路的片上损耗为13 dB,99%的端口之间串扰低于—20 dB,采用隔离槽技术开关时间为1.4 ms,总功耗小于1 W.同时,我们还实现了支持双偏振光信号的16×16热光开关[59],用于400 Gb/s PDM-16QAM光传输系统中上传/下载波长信号.这是目前端口数最大的基于偏振分集技术的双偏硅基波导光开关,整个芯片包括416个热光开关单元,896个片上光电二极管监视器,48个偏振旋转分束器和48个模斑转换器,总面积为12.5 mm×12.5 mm.直通信号的偏振相关损耗小于0.3 dB,差分群速度时延小于0.1 ps,上载信号的偏振相关损耗小于1.1 dB,差分群速度时延小于3 ps. 3.2 MRR型开关矩阵2009年,首个5×5的微环谐振器型硅基波导光开关的设计方案被Poon等[31]提出.它基于cross-bar拓扑架构,其中单个微环半径为20 μm,矩阵的总面积仅为0.1 mm×0.1 mm,与相同规模的MZI开关矩阵相比降低约2个数量级.微环集成了PIN二极管电光相移器,采用载流子注入驱动,开关时间达到1.3 ns,信道间串扰低至—11 dB.由于光开关中采用多模干涉交叉器件替代传统的平面交叉,因此具有更低的损耗和串扰,可以用于单波长或者符合微环谐振器自由光谱程的WDM系统的波长路由.2014年,DasMahapatra等[33]报道了基于高阶耦合微环单元的热光8×7微环谐振器型光开关.每个开关单元采用五阶级联的微环结构和平面二维阵列式热电极,将光学带宽提升至100 GHz,自由光谱程为350 GHz.考虑到各条光路上的微环个数不同,路径相关损耗在14.5—22 dB之间.光开关矩阵的性能和可扩展性受到损耗的限制.2015年,Yang等[60]实现了具有最少开关数的可重构无阻塞四端口微环光路由器.这个4×4交换芯片仅包含四个微环,在所有路由状态下,信道间串扰低于—15 dB.近期,一种1×N/N×1空间波长(解)复用器与低损耗的光纤或2D平面交叉波导转接板组装的方式被Nikolova等[61]提出.基于switch-&-select拓扑架构,波长(解)复用器包含N个硅基微环谐振器和与之耦合的总线波导,用于上传/下载波长信号.这种设计的特点是每条光路仅包含两个微环谐振器,并且只产生二阶串扰.实验结果表明,8×8的硅基微环光开关损耗为10 dB,串扰低至—39 dB.然而,对于未来更大端口的单片集成而言,平面交叉波导转接板越来越复杂,因此可能限制其实际应用前景.3.3 MEMS驱动波导型开关矩阵上述MZI和MRR的开关矩阵中的光路都存在损耗和串扰的逐级积累的缺点.近年来一种基于MEMS驱动器与硅基波导耦合器相结合的新型光开关技术得到迅猛发展.采用2.3节中介绍的Seok等[45]提出的双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,这种开关矩阵有效地利用了crossbar架构的无源交叉网格传输光信号,解决了各级开关单元的损耗和串扰的逐级积累问题,从而提升了端口数的可扩展性能.2016年,规模为64×64的MEMS驱动波导型光开关被率先报道[45].它包含4096个开关单元,片上最大传输损耗为3.7 dB,开关时间为0.91 μs,串扰低于—60 dB.最近,规。
基于CMOS平台的硅光子关键器件与工艺研究
基于CMOS平台的硅光子关键器件与工艺研究赵瑛璇;武爱民;甘甫烷【摘要】面向互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的硅基光互连体系,研制了包括光波导、光栅耦合器、刻蚀衍射光栅、偏振旋转分束器、光频梳以及3D互连新器件等的硅光子关键器件,并对相应器件的设计及工艺给出了最新的研究结果.基于以上关键硅光子器件进行了大规模光子集成,实现了片上集成的微波任意波形发生器,并集成了300多个光器件,包括高速调制、延迟线和热调等功能.面向数据通信研制了八通道偏振不敏感波分复用(WDM)接收器,解决了集成系统中的偏振敏感问题.【期刊名称】《中兴通讯技术》【年(卷),期】2018(024)004【总页数】7页(P8-14)【关键词】硅光子技术;硅基光互连;大规模光子集成【作者】赵瑛璇;武爱民;甘甫烷【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050【正文语种】中文【中图分类】TN929.5随着集成电路面临摩尔定律失效的风险，面向片上光互连的硅光子技术成为重要的关键平台性技术，能够解决集成电路持续发展所面临的速度、延时和功耗等问题。
在未来5G通信中也有明确的用途，基站的数据前传和后传需求显著，低成本、大批量的高速光模块有望成为硅光子的重要产业出口。
硅光子技术通过微电子和光电子技术的高度融合，在硅基衬底上实现各种有源和无源器件，并通过大规模集成工艺实现各种功能，文中我们将介绍基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的硅基光器件的研究和工艺。
1 硅基关键器件与工艺研究1.1 硅基光波导和制造工艺研究与先进的超大规模集成电路工艺兼容是硅光子最本质的价值所在。
经过半个世纪的发展，集成电路制造工艺水平突飞猛进，量产产品已达到10 nm技术节点。
本研究小组与先进的大规模集成电路商用工艺生产线合作，基于0.13 μm CMOS技术，并且采用了248 nm光刻技术[1]，建立了一整套硅光子器件加工和集成的工艺。
硅光技术原理
硅光技术原理硅光技术是一种基于硅材料的光学技术，通过控制光的传播和调制光的特性，实现光信号的传输和处理。
它在信息通信、光电子学和光学传感等领域具有广泛的应用。
硅光技术的原理基于硅材料对光的特殊性质。
硅材料具有较高的折射率和透明性，能够有效地限制光的传播和引导光的走向。
通过控制硅材料的结构和形状，可以实现对光的捕获和控制。
硅光技术主要包括光波导和光电器件两个方面。
光波导是指通过控制硅材料的结构和形状，使光在硅材料中以全内反射的方式传播。
通过设计不同的波导结构，可以实现光的聚焦、分光、耦合和调制等功能。
光电器件是指利用硅材料的光电效应实现光信号的转换和处理。
通过在硅材料中引入掺杂原子或应变，可以改变硅材料的光电特性，从而实现光电器件的调制、放大和检测等功能。
硅光技术的发展离不开微纳加工技术的支持。
通过微纳加工技术，可以在硅材料上制备出复杂的光波导和光电器件结构。
同时，微纳加工技术还可以实现光学器件的集成和封装，提高器件的性能和可靠性。
硅光技术在信息通信领域的应用已经非常广泛。
例如，光纤通信系统中的光放大器、光开关和光调制器等核心器件都是基于硅光技术制备的。
硅光技术还可以实现高速光通信和光互连，在数据中心和计算机领域具有重要的应用价值。
硅光技术还在光电子学和光学传感等领域有着广泛的应用。
例如，通过控制硅材料的结构和形状，可以实现红外光探测器和光谱仪等光电器件的制备。
硅光技术还可以实现光学传感器的制备，用于生物医药、环境监测和工业检测等领域。
硅光技术是一种基于硅材料的光学技术，通过控制光的传播和调制光的特性，实现光信号的传输和处理。
它在信息通信、光电子学和光学传感等领域具有广泛的应用。
随着微纳加工技术的发展，硅光技术在各个领域的应用将进一步扩展和深化。
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
《2024年硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化》范文
《硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化》篇一一、引言随着光通信技术的飞速发展，硅基光波导因其低损耗、高集成度的优势，在光通信领域得到了广泛的应用。
在硅基光波导中，孤子作为一种特殊的光波传播形态，其相互作用及光谱演化成为了研究的热点。
本文将重点研究硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化的相关问题。
二、硅基光波导的基本原理与特性硅基光波导是一种以硅为材料的光波传播介质，具有低损耗、高折射率差等特性。
在光通信领域，硅基光波导因其高集成度、低成本的优点被广泛应用。
在硅基光波导中，孤子的传播和相互作用对于光信号的传输质量具有重要影响。
三、暗孤子相互作用的研究暗孤子是一种特殊的光波传播形态，其特点是具有凹陷的强度分布。
在硅基光波导中，暗孤子的相互作用主要表现在以下几个方面：1. 相互作用力：暗孤子在传播过程中会受到其他孤子的影响，产生相互作用力。
这种相互作用力的大小和方向取决于孤子的传播速度、振幅等因素。
2. 相互影响的过程：暗孤子在相互靠近时，会产生能量交换和相位调整等现象。
这种相互影响的过程可以通过数学模型进行描述和预测。
3. 影响因素：硅基光波导中的材料参数、结构参数以及环境因素等都会对暗孤子的相互作用产生影响。
因此，在实际应用中需要考虑这些因素的影响。
四、亮孤子光谱演化的研究亮孤子是一种具有高峰值强度的光波传播形态。
在硅基光波导中，亮孤子的光谱演化主要表现为：1. 能量分布：亮孤子在传播过程中，其能量分布会发生变化，从而影响光谱的形状和宽度。
2. 动态变化：亮孤子的光谱演化是动态的，受到外界环境和内部机制的影响。
这些影响因素包括温度、压力、材料特性等。
3. 演化模型：通过建立数学模型，可以描述亮孤子光谱的演化过程，并预测其变化趋势。
这些模型对于理解和控制亮孤子的传播和演化具有重要意义。
五、实验结果与分析为了研究硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化的相关问题，我们进行了以下实验：1. 暗孤子相互作用的实验：我们利用光学仿真软件对暗孤子在硅基光波导中的相互作用进行了模拟和观察。
硅光技术原理
硅光技术原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：硅光技术是一种以硅为基础的光电子技术，其原理基于硅材料对光的吸收、发射和传输特性。
硅是一种具有半导体特性的材料，具有优良的电子、光学和光电子性能，因此被广泛应用于光电子领域。
硅光技术利用硅材料的这些特性，通过控制硅材料的结构和性能，实现对光信号的处理、传输和探测，从而实现各种光电子器件和系统的设计和制造。
硅光技术的原理主要包括硅光伏效应、硅光导、硅激光和硅光检测等方面。
硅光伏效应是硅光技术的基础，在硅光伏效应中，光线照射到硅材料上时，光子与硅原子之间发生相互作用，激发硅中的自由载流子，形成电子-空穴对，从而产生电流。
硅光伏效应是太阳能电池的工作原理，利用这种效应可以将太阳能转化为电能。
硅光导是硅光技术的一个重要方面，利用硅材料对光的高折射率和低传输损耗的特性，可以制造出各种光导器件，用于光信号的传输和处理。
硅激光是利用硅材料的光放大和随机辐射特性，实现光的放大和激光输出，广泛应用于通信、医疗和材料加工等领域。
硅光检测是硅光技术中的另一个重要方面，利用硅材料对光的吸收、发射和响应特性，可以实现对光信号的探测和测量。
硅光检测器件广泛应用于光通信、光传感和光成像等领域，具有高灵敏度、快速响应和稳定性等优点。
硅光技术是一种基于硅材料的光电子技术，具有广泛的应用前景和发展潜力。
随着硅光技术的不断进步和创新，相信在未来的光电子领域将会有更多的突破和进展，为人类社会的发展和进步带来更多的新技术和应用。
第二篇示例：硅光技术是一种利用硅材料来实现光学功能的技术，其原理是基于硅材料在光学上的特性和光电子器件的工作原理。
硅光技术在光通信、光传感、光存储等领域具有广泛的应用前景，是当前光电子领域的研究热点之一。
硅材料是一种普遍存在于自然界中的材料，具有很好的机械性能和热性能。
在光学上，硅材料具有较高的折射率和透射率，适用于制备各种光学元件。
由于硅材料是半导体，它在光学波长范围内具有较好的光学非线性效应，可以用来制备各种光学器件。
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光纤与硅基光波导及其器件对比光波导是导引光在其中传播的介质，而光纤则是最常见的光波导之一，广泛地应用于光纤通信、光纤激光器等领域，硅基光波导则是实现OEIC、PIC的基础。
同为光波导，光纤与硅基光波导在结构上有很多相似之处，相比而言，光纤及其各种器件的制备技术已经十分成熟，故可以根据已有的光纤器件的结构去设想、设计、改进硅基光波导器件。
波导结构
光纤是圆柱形光波导，主要有纤芯（折射率n1）和包层（折射率n2）组成。
根据n1是否为常数分为阶跃光纤和渐变光纤两种。
其相对折射率差约为1%，故一般的光纤对光场的限制能力并不强，这使得光纤的弯曲半径很大，否则光场就会从包层泄露。
硅基光波导一般为脊形波导，其波导层（下图中的core）和限制层（下图中oxide）的折射率一般比较大。
如下图中，波导层Si的折射率约为，而限制的折射率约为，折射率差达69%，故该波导对光场的约束能力很强，可以层SiO
2
把弯曲半径做的很小，易于集成。
然而该波导很难像光纤那样做成渐变折射率结构，这使得光纤的一些器件用硅基光波导很难做成相似的结构。
光耦合器
光耦合器是传送和分配光信号的无源器件，通过波导中传输模式的耦合作用来实现耦合功能。
在光纤系统中，可以用光耦合器来实现分束器、波分复用器、隔离器、环形器和光开关等。
在硅基光波导中，光耦合器可以实现分束、合波、光开关及光开关阵列等。
上图左边为2X2的耦合器，右图为1X2的耦合器，通过调整两个波导参数或者耦合距离即可改变两输出端光功率的比。
而由于耦合距离是和波长相关的，故该结构可将不同波长的光分离，从而实现波分复用功能。
当然，也可以将不同波长的光进行合波。
下图是一个最简单的M-Z干涉仪开关，正常情况下，两束光合波输出，处于“开”状态，当有源区被施加电压时，由于电光效应，可使两束光产生π相位差，从而使两束光干涉相消，光路处于关“状态”。
M-Z干涉仪开关
左图是一
个基于CMOS工
艺制作的4X4
M-Z干涉仪光开
关阵列，它的每
个基本单元是
2X2的M-Z干涉
仪光开关，同
样，它也能作为
基元去构成更大的光开关阵列。
如果可以把法拉第旋光片也集成到硅基光波导上，那么硅基光波导就可以像光纤一样，构建光隔离器和光环形器等器件。
然而，也许是因为法拉第旋光效应是依赖于磁场的，我并未找到硅基光隔离器的文献。
透镜
不管是光纤还是硅基光波导，都不可避免地会遇到和光源或者其他器件进行光耦合的问题。
为了达到较高的耦合效率，就需要透镜对光束进行变换。
对光纤而言，可以使用的透镜有很多，这里介绍自聚焦透镜和和光纤微透镜两种。
自聚焦透镜是利用光纤的渐变折射率分布，是光线在透镜中发生弯曲，从而实现对入射光进行径向或角向压缩（根据光纤的长度不同），从而使光更好地耦合进光纤或者从光纤输出耦合到下一个器件。
自聚焦光纤
光纤微透镜则是直接在光纤端面上拉锥，形成球透镜。
光纤微透镜的结构示意图
对于硅基光波导，制成渐变折射率结构几乎是不可能的，故只有制作成Taper结构来实现透镜的功能。
平面taper的结构是比较容易制作的，与之相对应的3-Dtaper本应该是棱台结构，但由于该结构不易制作，故一般制
作成阶梯型结构。
Taper的长度必须要合适，长度过小，模式转换过于剧烈，损耗较大；长度过小，则累积损耗较大。
平面taper 3D taper
光栅
光纤光栅是通过使纤芯沿着纵向的折射率形成一定的周期性变化形成的。
下图中，纤芯中不同深浅的颜色即代表了折射率的相对大小。
根据折射率的分布不同，可以实现滤波、选频、切趾、色散补偿等功能。
与光纤光栅不同，硅基光波导不是对波导层的折射率进行连续调制，而是形成Si-空气（或其它介质）的周期性分布（如下图）。
和光纤光栅相比，硅基
光波导光栅可以制作成更复杂的形状。
光纤光栅是一维的光栅结构，而硅基光波导光栅更多制作成二维结构，以便把外部的光TE、TM两个偏振模
式全部耦合进光波导。
如左下图，入射光的两个偏振均已TE模式进入光波导，从而避免了不同模式在波导中的损耗不同。
右下图是将光栅制作成圆弧形，从而使光已汇聚的形式进入波导，增大了耦合效率。
以上功能是光栅处于最简单的周期性结构下实现的，通过调整光栅中Si的宽度，使光栅周期性变复杂，理论上也可以像光纤光栅那样实现滤波、选频、色散补偿等功能。
如果要用硅基光波导实现光放大器、激光器，就将难免用到这些功能的光栅。
光放大器
目前常用的光纤放大器大多为掺铒光纤放大器，它最基本的部分包括掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用器和光隔离器。
它的工作原理也很简单，在泵浦光的作用下，信号光在掺铒光纤中得到放大，最终经隔离器输出光信号。
光放大器在硅基上实现比较困难，我并未找到比较完善的资料。
根据我自己的设想，可以考虑制成和掺铒光纤放大器相同的结构，当然，这样肯定
存在几个问题。
一是掺铒光纤中光纤光纤的长度大约有几十米，在硅基上要实现相同的增益，应让光波导的折射率差尽量大，这样可以使波导的曲率半径做的很小，从而可以在硅基在来回曲折以增加波导长度，同时可以考虑提高铒的掺杂浓度，然而我并不清楚掺铒的硅是否能很好的生长在硅基上。
此外，泵浦激光器也是问题，在硅基上做出半导体激光器（LD）现在还很有困难，但把激光器放在集成芯片之外也不合适。
现在的LD多为量子阱结构，未来几年量子线，量子点也会逐渐成熟，也必将更加小巧，是否可以将LD 直接“安装”在PIC或OEIC上呢为什么必须要在硅上长出激光器最后，还有光隔离器的问题，对于它，我并没有什么头绪。
参考资料：
1、Silicon Photonics –PhD course prepared within FP7-224312 Helios
project
2、《光纤光学》（第二版）刘德明孙军强鲁平严敏主编
3、《硅基光波导及光开关的研究进展》Semiconductor Optoelectronics
文章编号:1001 -5868(1999)06 -0369-08
4、《基于载流子注入的ＳＯＩ４×４ＭＭＩ－ＭＺ光开关阵列》光电
子·激光第２４卷第１期２０１３年１月
5、《硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究》光电子•激光第25卷第9期２
０１4年9月。