SOI光波导器件的研究进展

　　SOI(silicon-on-insulater)材料具有抗辐射等优点,主要应用于微电子技术中.近年来,随着硅基集成光学发展,SOI材料以其良好的导波性能在导波光学器件和光电子器件方面获得了越来越广泛的应用.特别是大截面尺寸的脊型结构波导的研制成功[1],降低了SOI单模波导与光纤的耦合损耗,极大地推动了SOI光波导器件的发展.目前,SOI材料的制备技术已经比较成熟,拥有氧离子注入、键合背向腐蚀、区融再结晶、注氢智能剥离等多种技术.加工工艺的改善使SOI波导传输损耗不断降低,最低传输损耗可达到0·1 dB/cm[2]. SOI材料用于制作光波导器件的优越性主要表现在以下几点:SOI光电子工艺与标准的CMOS工艺完全兼容,为实现高集成度的光电子回路提供了可能;SOI材料具有很好的导波特性,传输损耗小;导波层硅和限制层二氧化硅之间的折射率差很大,单个器件有可能做得很小,有利于大规模集成;制备技术成熟多样,成本低廉.本文主要介绍了几种常见的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.

　　1　弯曲波导

　　在集成光学器件中,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3·5,二氧化硅为1·45),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[3].文献[4]中则比较了采用特殊弯曲结构来减小损耗的几种方法,发现在SOI弯曲波导外侧刻槽(如图1)的方法最能有效减小弯曲损耗.对R=16 mm的SOI弯曲波导可将损耗降低5 dB左右,基本消除了弯曲所带来的附加损耗.

　　2　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,是集成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. Wang等人[5]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8·5μm,刻蚀深度为3μm,器件的两个分支的损耗分别为5·0 dB和5·2 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. Wei等人[6]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0·36 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等人[7]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0·3μm×0·3μm,间距仅为0·3μm,如图2.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.