硅基二氧化硅阵列波导光栅的研究进展

阵列波导光栅（ Ａ Ｗ Ｇ） 是（ 密集） 波分复用技术的关键器件之一。提高 Ａ Ｗ Ｇ 器件的性能和拓展 Ａ Ｗ Ｇ 器件的功能是 Ａ Ｗ Ｇ 器件发展的两大方向。综述了 Ａ Ｗ Ｇ 的串扰、波长响应展宽和偏振特性的优化措施，以及以 Ａ Ｗ Ｇ 为基本器件构成的多种功能模块，如１６ 路上路／ 下路复用器。

硅基二氧化硅波导的应力和偏振相关性的数值分析

使用有限元方法分析了硅基二氧化硅光波导的应力分布 ,结果表明波导主要受横向压应力影响 ,而且应力主要集中在芯区和包层的界面附近 .根据波导的应力分布 ,得出波导的折射率分布 ,并使用 ADI全矢量方法求解出波导的模式折射率 .比较考虑应力和未考虑应力的波导模式折射率可以得出 :波导的双折射效应主要是由于波导应力引起的 。

硅基二氧化硅波导的双折射效应补偿理论分析

使用有限元方法分析了硅基二氧化硅波导的两种偏振补偿方法的可行性 .结果表明采用应力释放槽和调节上包层热膨胀系数都可改善波导的偏振相关性 .采用应力释放槽可以释放波导中的由于硅衬底与二氧化硅热膨胀系数失配造成的压应力 ,可以影响芯区附近的应力分布 ,但是只有释放槽的深度达到一定值时才能改善波导的偏振相关性 ,增大槽的宽度也在一定程度改善偏振相关性 ,但效果较差 .调节波导上包层的热膨胀系数可以很好的解决波导的偏振相关问题 ,而调节波导的其它层的热膨胀系数对波导的偏振相关作用较小 .

硅基二氧化硅波导阵列相位控制芯片

设计并制作了硅基二氧化硅波导阵列相控芯片,该芯片由分束单元、相位调制单元、输出波导阵列三部分构成,分束单元采用三级1×2的光分束器级联而成,相位调制单元采用热光调制方式,输出部分包含8根密集阵列波导.8根波导输出的光在远场发生干涉,形成扫描光束,加电后通过二氧化硅热光效应,折射率变化0.027%(0.000 4)时,扫描光束偏转5.5°.该波导相控阵列采用2.0%超高折射率差的硅基二氧化硅波导为材料,经等离子体增强化学气相沉积法进行材料生长及退火,再经电感耦合等离子体干法刻蚀技术进行刻蚀,最后切割抛光制作而成.测试结果表明,静态下该芯片8条输出阵列波导形成清晰干涉光斑,在电压达到130V时,热调制相位后,光斑移动5.5°.

小尺寸低折射率差硅基二氧化硅阵列波导光栅(英文)

随着阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG)型器件在光通信系统中的大规模应用,对低成本AWG芯片的需求越来越多.在各种降成本方案中,减小AWG芯片的尺寸是最有效的方法之一.本文介绍了一种新型小尺寸低折射率差硅基二氧化硅AWG的设计.在该AWG中,输入波导/输出波导与平板波导连接的部分制作成两侧为空气槽的高折射率差波导,所以在与输出平板波导连接处的相邻输出波导间距较小,这样可以在设计上缩短平板波导的长度、减少阵列波导的数量,实现较小的AWG芯片尺寸.该AWG的其它部分,如输入/输出波导与光纤耦合的部分、阵列波导光栅等均采用常规的低折射率波导工艺,所以就同时具有与常规的低折射率波导AWG相同的优点:如低耦合损耗、较好的串扰以及光学特性等.根据这个原理,设计了一种40通道100GHz频率间隔的低折射率差硅基二氧化硅AWG,其芯片尺寸只有23.88mm×10.5mm,是传统相同材料制作的AWG尺寸的1/6.

1×32硅基二氧化硅阵列波导光栅的研制

采用高精度光刻版、PECVD材料生长、反应离子刻蚀和端面8°角抛光等技术,设计并研制了1×32硅基二氧化硅阵列波导光栅.研制的AWG芯片,其相邻通道引起的通道串扰小于-28dB,非相邻通道引入的串扰小于-35dB.通道的插入损耗在进行光纤耦合封装后进一步提高,平均损耗约为4.9dB,不均匀性约为1.72dB.

硅基二氧化硅20通道循环型阵列波导光栅制备

采用硅基二氧化硅材料,针对G.698.4标准,设计并制作了适用于5G前传的20通道循环型阵列波导光栅,通道间隔为100 GHz。相较于传统的周期性阵列波导光栅结构,采用的2×20循环型阵列波导光栅结构可实现通道波长的严格对准,且插损均匀性更高。另外,采用指数型锥形波导取代矩形多模干涉结构以实现阵列波导光栅通带平坦化,减小因波导结构上的突变带来的损耗,且不带来光谱性能的恶化。通过机械补偿无热封装后,制备的20通道循环型阵列波导光栅模块损耗约为5.5 dB,在-40℃/25℃/80℃三温温度变化时,波长偏移量在-40~80 pm范围内。该无热模块具有小型化、低成本、大规模化生产的优势,可广泛应于5G前传网络。

Si衬底减薄及氧化对硅基二氧化硅波导应力双折射影响的数值分析

采用有限元法对硅基二氧化硅波导在玻璃化过程中的应力与Si衬底厚度和背面氧化层厚度的关系进行了系统的分析;在此基础上,应用全矢量有限差分束传播法(FD-BPM)对应力光波导的双折射进行了分析.结果表明随着Si衬底厚度的减薄,波导附近水平方向和垂直方向所受应力趋于一致,双折射系数B可小于10-4;Si衬底背面氧化层的存在使双折射系数略有增大,但随氧化层厚度的增加可减缓其增加量.

硅基二氧化硅光波导器件偏振特性的理论分析

从理论上分析了硅基二氧化硅光波导器件的芯区尺寸、相对折射率差、内应力和弯曲半径对器件偏振特性的影响 ,得出结论 :小折射率差的正方形波导的双折射系数小 ;内应力对双折射的影响比几何参数大 ;弯曲半径较小时 ,双折射系数较大 ,弯曲损耗也较大。

硅基二氧化硅阵列波导光栅制作工艺的研究

硅基二氧化硅阵列波导光栅是集成化波分复用光网络中的核心器件之一。对其制作工艺的研究对提高器件的性能具有重大意义。提出一种在波导上包层使用硼锗共掺高温退火的工艺方法,成功实现阵列波导间空隙的填充,并将阵列波导光栅的插入损耗成功降低约2 dB。相对于传统的硼磷硅玻璃工艺,此方法避免了剧毒气体磷烷的使用,工艺简便安全,同时降低了成本。最后,通过对光刻、增强型等离子体化学气相沉积法(PECVD)薄膜沉积、感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀和高温退火回流等工艺步骤的改进、完善和优化,实现了额外损耗约为1.5 dB的阵列波导光栅。

面向硅基光互连应用的无源光子集成器件研究进展

光互连是突破传统微电子IC性能瓶颈的重要技术手段,对推进"后摩尔时代"微电子技术的发展和高性能计算技术的实现具有关键性意义。本文在归纳总结不同层次光互连结构特点的基础上,对片上光互连(on-chip or intra-chip optical interconnects)所涉及的若干种无源光子集成器件的设计制备及性能特点进行了分析介绍,这些器件包括SOI亚波长光子线波导、SOI光子晶体波导、MMI分束/合束器、微环/微盘谐振腔滤波器、光子晶体微腔耦合滤波器、光子晶体反射镜等,是硅基片上光互连的基本构成单元。本文对这些关键性光子集成器件的国内最新研究进展进行了报道。

硅基二氧化硅偏振分束器的设计及误差分析

设计了一种非对称臂马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型硅基二氧化硅偏振分束器(PBS),在1535~1565nm波长范围内,其偏振消光比大于20dB,插入损耗大于-0.5dB。采用有限差分-束传播法(FD-BPM)进行误差分析,分别计算了多模波导的宽度和长度以及非对称臂的宽度和长度误差对偏振分束器性能的影响。仿真结果表明,多模波导长度和非对称臂长度误差分别小于±2μm和±4μm时,偏振分束器的消光比和插入损耗仍能保持较好的结果;而要保持20dB以上的偏振消光比,多模波导宽度误差应小于±500nm,非对称臂宽度误差应小于±4nm(宽臂)和±2.5nm(窄臂)。非对称臂宽度对工艺的要求比较高,拟利用热光效应改变波导折射率来补偿波导尺寸变化引起的相位误差,以便下一步制备出高性能的硅基二氧化硅偏振分束器。

利用硅基器件实现全光超高速信号处理

全光信号处理是通信研发中的热点。全光信号处理的关键是具有高非线性的光学波导和超高速的性能。德国Karlsruhe大学、比利时大学校际微电子研究中心、美国Lehigh大学等研究机构的研究人员采用硅基器件实现了全光超高速通信信号处理．传输速率为100Gbit／s。

新型硅基集成光隔离器的研究进展

光隔离器是保障光通信系统稳定运行的重要核心器件。目前,光通信器件在单个芯片上的集成是必然趋势,但光隔离器的集成仍然存在损耗高、隔离度差、集成工艺困难等诸多问题,复杂有源光通信器件片上集成的发展也因此受到了阻碍。概述了实现光隔离的几种有效方案,介绍了硅基集成光隔离器的最新研究进展,并对其未来的发展态势进行了展望。

硅基波导与GeSi/Si超晶格探测器之间光电集成器件的研制

用分子束外延法将ＧｅＳｉ／Ｓｉ超晶格结构生长在ｎ＋／ｎＳｉ材料上，先后用反应离子刻蚀法形成探测器波导和硅脊波导，经适当工艺实现硅波导与ＰＩＮ探测器之间的光电集成，５Ｖ偏压下ＰＩＮ探测器的最小暗电流为０．８μＡ，最大光响应电流为２．７μＡ，最大总量子效率为１４％，工作波长为λ＝１．３μｍ。

光电集成与器件

TN256 2002042749SOI 集成光电子器件=SOI - based optoelectronicdevices[刊,中]/魏红振,余金中,张小峰(中科院半导体所集成光电子国家重点实验室.北京(100083)),刘忠立(中科院半导体所微电子中心.北京(100083)),史伟,

基于介质加载型表面等离激元的微环热光开关

虽然现有热光开关能够实现较低的功耗或者较快的响应时间,但是光开关普遍尺寸较大或结构较为复杂,在实际应用中受到较大限制。为了实现结构紧凑,响应时间短的热光开关,基于介质加载型表面等离激元微环谐振器提出了一种结构紧凑,响应快速的热光开关。该介质加载型表面等离激元微环由多层材料结构组成,自下而上的结构为PMMA层、Au层、SiO_(2)层以及Si层。Au层不仅可用作激发表面等离激元的材料,还可作为加热器。采用有限元方法对该热光开关的光学传输模式,温度分布等性能进行研究分析;为了验证该热光开关的动态特性,在波长为1 530~1 570 nm条件下,采用光-热多物理场耦合分析方法对该微环热光开关的光信号传输影响频谱以及响应时间等动态特性进行分析研究。研究结果表明,该微环热光开关具有快速的响应速度和低加热功率,上升时间和下降时间分别为2.5μs和6.8μs。此外,该微环热光开关的插入损耗为0.13 dB。提出的基于介质加载型表面等离激元不仅能够兼容传统半导体制备工艺,还具有优异的动态性能,在光电集成电路中具有较好的应用潜力。