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新型硅基集成光子器件的研究.pdf

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新型 集成 光子 器件 研究
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浙江大学信息科学与工程学院 博士学位论文 新型硅基集成光子器件的研究 姓名:周海峰 申请学位级别:博士 专业:微电子与固体电子学 指导教师:江晓清 20090608 摘要 摘要 不断呈现的各种业务需求、飞速发展的光通信技术以及逐步拓宽的应用领域大大 促进了集成光子器件的研究与发展。为构建大容量、高速率的光通信网络,时下的光 开关和光路由等交换系统正面临着巨大挑战。不仅如此,集成光学器件还快速拓展于 能源、环境、医疗、生物、传感等领域。集成光电子器件的设计正朝着简易化(Simpler)、 智能化(Smarter)、小型化(Smaller)、高速化(Swifter)、节约化(Saving energy and cost) 的“5S”方向迈进。 近年来,SOI基有源和无源器件的研究齐头并进,成为光电子领域最热门的方向 之一。在揭开电子瓶颈之前,硅光子器件仍面临很多基本问题。比如,如何有效回避 或利用光子波导中的偏振问题;如何实现超紧凑、低串扰、宽带宽的光开关器件;能 否用硅基光子波导构建具有类似于电子器件的逻辑功能单元;怎样解决好硅与各种材 料的混合集成问题等等。 基于上述思想,本论文的目的在于:以光波导自映像原理为基础,探索功能新颖、 工艺简单、控制方便、性能优良的光电子器件,并以SOI基CMOS兼客工艺为基础 进行原理性试验。本文具创新性意义的工作主要集中于以下四个方面: l、对光波导的白映像原理进行了引伸和拓展。从光偏振的角度对自映像原理进 行了推广,设计了一种新型的模式转换器;利用模式传输方法对平板波导和二维空间 波导中的多模干涉进行了阐述和分析;论述了有限波导阵列中的自映像效应,分析了 次近邻波导间的耦合对该效应的影响;讨论了无限波导阵列的传输特性与输入场之间 的联系;提出了利用分离变量法和微扰法联合分析空间波导系统的解析模型,据此设 计了粗波分复用器件. 2、以自映像理论为基础,提出了多种结构紧凑、功能新颖、控削简便的集成光 学器件.以3x3 MMI耦合器为基本结构,提出的多种器件,包括控制简单的、超紧凑 l×3光开关;23bit的光学逻辑编码器;易于重组的波导型六端光环路器;利用光开关 的各输出状态下所需相位调制量间的倍数关系,系统论证了可以简化外控电极及驱动 方案的l xN的多值MMI开关;理论性的研究了基于多模干涉波导的空间逻辑编码器 的驱动方案。 3、兼用CMOS生产线和本实验室的硅基工艺条件,系统设计,原理性论证了所 提器件的基本结构.以p.f.玎载流子注入结构进行波导相位调制,采用o.8pm CMOS 工艺线制作的调制器消光比达20dB;l×2光开关和2x2光开关的串扰分别可以达到 1 8dB和17dB;器件速度达到几十ns量级。通过对实验传输曲线的拟合分析,讨论了 硅载流子色散效应的伴随损耗对MZI型光开关串扰的影响。在本实验室条件下,攻克 ii{ 浙江大学博士学位论文 了等离子体干法刻蚀工艺,对刻蚀条件进行了优化;并摸索了一系列硅基热光器件的 基础工艺。 4、基于对Ce:YIG/Si/SOI非互易波导的数值分析,构思了多种硅基非互易器件. 用微扰法比较分析了Ce:YIG/Si/SOI波导在增强非互易效应方面的优势;推导了磁光 波导的三维全矢量BPM模拟的计算公式,并基于有限差分方法进行编程计算。将非 互易相移引入到微谐振结构,达到了非互易器件小型化和功能化的目的。并且,利用 耦合谐振环的MZI结构高带宽利用率等优点,提出了高隔离度的波导型双向多波长交 错隔离器。 本文的研究工作在数值计算、器件设计及工艺制作等多方面展开,所涉及研究课 题和项目较多,在后续工作中将继续对所构思的各种器件进行充分的试验验证。作者 在研究中以5s为设计思想,提出了多种具新功能、新特性的集成光子器件,期待在 未来的光子集成回路中获得广泛应用。 关键词:集成光电子;硅基光子学;多模干涉;微谐振环;光开关;逻辑编码器 件;非互易器件;空间集成;载流子色散效应:有限差分 Abstract Abstract Continuously-emerged service requirement of human being,well—developed optical communication techniques and gradually—discovered application fields greatly boost the research and development of integrated photonic devices.Optical switching or routing systems are confronted with big challenges by the large·-capacity and high·—bit rate optical communication networks.Moreover,integrated optical devices gained wide—spread application in industry,military,energy,medicine,sensor,ete.To tailor the needs in different application fields,the device design strides forward to a common goal“Simpler, Smarter,Smaller,Swifter,and Saving energy&cosf’. Recently,researches on both the active and passive devices with silicon-on-insulator (sod material were underway and became a hot point in opto-electronics.Before successfully solving the bottleneck of micro-electronics,passive silicon devices still faced plenty of challenges:how to effectively evade or utilize the polarization in waveguide;how to realize a compact,low-crosstalk and broad—band optical switches;whether the photonic devices can implement the similar logic function to the electronic counterpaas;how to tackle with the hybrid integration of silicon and the other useful materials,and SO on. By employing the self-imaging(SIM)theory in optical waveguide,this thesis is intended to explore new schemes in the above spirit for optical devices with novel function, relaxed fabrication,easy controlling way and high performance.The basic physical effects in simple silicon devices are demonstrated by our own fabrication and CMOS foundry.The innovation of this thesis can be organized as four points: 1.The SIM theory加many respects was deepened and extended.The SIM theory was generalized to the polarized mode issue,which results in a novel polarization rotator. The SIM phenomena in finite waveguide arrays were discussed by taking the secondary—neighborhood coupling into account.Light propagation in infinite waveguide arrays were investigated under different input conditions.The analytical model is established by combining the separate variable method and perturbation method to simplify spatial waveguide system.The design procedure of coarse wavelength division multiplexer (CWDM)based on the four—waveguide system is also illustrated. 2.Several devices based on SlM theory are proposed,with merit跏function,size and the controlling sty/e.Taking the 3 x3 MMI coupler嬲the basic element.this thesis proposed the easy-controlled ultra—compact l x3 optical switch,23bit optical logic coder,a V 浙江大学博士学位论文—●————’————●———’————-●——_-————————-———●———--_——●——_—’————————_—-●一一一一 re‘arrangeable six—port optical circulator.By using the multiplier relations of the modulation magnitudes for different switching state,1 xN multi.valued contr011ed MMI switch was proposed to simplify the electrodes and controlling schemes.The method was therotically applied to steer light into spatial logic patterns with multimode waveguide. 3·The basic units of the above-mentioned devices are systematically designPd and demonstrated in silicon by using the CMOS industry and our own fabrication cond“lo睫. By using 0.8lam CMOS line and the P-i-玎carrier injection structure,the extinction ratios of the fabricated modulators can reach about 20dB.The crosstalks of the 1 x2 and 2 x2 MMI-based switches are 1 8dB and 1 7dB respectively.The device speed is about at the scale of tens of as.Through fitting the experimental transmission curves,the performance limits to the Mach-Zehnder interferometric(MZI)switch crosstalk are systematicallv evaluated.In our lab,the inductively coupled plasma(ICP)reactive ion etcher was put i nto use after the parameter optimization.The fabrication techniques of the thermo.optical devices are also explored. 4·Nonreciprocal silicon devices are conceived如numerically analyzing the magneto‘optical Ce:YIG/Si/Si02 waveguide.The perturbation method was used to observe the advantages of the Ce:YIG/Si/Si02 structure in producing nonreciprocal phase shift (NPS).The 3-D semi-vector BPM formula are deduced and utilized to take the magneto。optical(MO)effect into account.NPS is introduced into micro.ring resonator to miniaturize the nonreciprocal device and improve the device performance.Besides. bi-directional multi-wavelength interleaved isolator is also proposed to favor the wavelength division multiplexing(WDM)system,by employing the Ring.coupled MZI structure. This thesis is related to multiple research directions,including the numerical calculation,device proposal and fabrication techniques.Partial work of these proposals and their demonstration are still underway.The author tries to carry out the above.stated“5S,, spirit in the whole thesis and put forward several integrated optical devices with novel function and performance,which can be expected to facilitate the OEIC in the near ruture. Keywords:Integrated optoelectronics;silicon photonics;multimode interference(MMI): Micro。ring resonator;optical switch;logic coder;nonreciprocal devices;spatial integration: carrier dispersion effect;finite.difference method 图目录 图目录 图1.1(a)提高有限物理媒介传输容量的复用技术:空分、时分和波分复用(b)90年代 以来,随着通信容量递增,光传输装置和技术的的演变…………………………………2 图1.2纳米光子产业中各种应用的市场份额与增长趋势……………………………………..3 图1.3(a)英Ipswich集成光子研究中心的混合封装芯片(b)光子晶体单片集成构想口4 图1.4 2004年以来,IBM,Intel领衔的硅基光子发光、调制、存储、探测等器件的突 破…………………………………………………………………………………………………………………………….7 图1.5最新报道的分立光子器件(如分束器、光开关、片内激光器)的阵列化…………8 图1-6各种不同类器件的单片集成。硅基光子的目标是利用硅的标准半导体工艺将诸 如激光、波导、调制器等元件集成于有机的一体。…………………………………………….8 图1.7(a)简化单通道垂直耦合谐振腔,(b)控制方式有待简化的多通道MMI开关…一9 图1.8四种不同尺寸的脊型波导的TE模式电场分布:(a)W=4,胙5,矗=3;(b)W=I.2, 月--1.5,h=0.9;(c)W=0.6,H=0.6,h=0.3;(d)W=0.3,H=0.3,h=0…………………………一l 0 图1-9采用PIN结构硅载流子色散效应的硅光调制器在尺寸上的突破………………1 0 图1.10硅光子器件在速度提升过程中的几个节点……………………………………..“ 图1.11已有技术和CMOS工业在速度、尺寸、成本和能耗方面的比较……………12 图2.1基于双步刻蚀工艺的L型波导模式转换器………………………………………………22 图2.2全矢量计算的0.5um方形波导和切角0.2um的三型硅光子波导的各磁场分量23 图2.3用FDTD软件模拟的TM输入该器件模式转换过程中的行进图………………24 图2.4三层介质平板波导中的各种导模…………………………………………………………………25 图2.5 MMI的传输等高线图:(a)导模传输分析法与(b)光束传输方法(BPM)…….27 图2-6在多模干涉波导三NM=(M/N)3/Ⅶ输出端产生的像点。……………………………………28 图2.7常用的NxN端口耦合器(a)边缘距为中问间隔的一半;(b)边缘距与中间间隔 相等……………………………………………………………………………………………………………………….29 图2.8均匀的耦合波导阵列……………………………………………………………….3l 图2-9三波导耦合阵列中的功率归一化的TE导模的场型。波导宽度为0.29m;折射 率为3.477;波导间隔为o.1ima;背景折射率为1.444。………………………………………….35 图2.10三波导中的自映像现象(a)中心输入(b)两侧输入………………………………..36 图2.11梯度折射率波导阵列中的Bloch振荡子(a)中心波导输入的情况(a)5个波 导的高斯离散分布的输入情况。……………………………………………………………38 图2.12(a)空间四波导实际结构全图,其四个矩形波导浸在折射率略低于背景介质(b) 近似模型的折射率分布与实际结构仅在阴影区域相差ne-(2ne2-力,)m…一……………….39 ix 浙江大学博士学位论文 图2.13空间四波导对应于不同传播常数的四个最低阶次的准本征模式……………..42 图2.14(a)归一化有效折射率的计算与有限差分数值方法的比较(b)空间四矩形波导 的耦合长度随波导结构的变化曲线……………………………………………………………….43 图2.15基于空间四波导的宽频波分复用器,左上角插图为器件在X.z平面的投影…44 图2.16四个不同波长的传输曲线。实线、点线、划线和点划线分别依次对应于四个 不同波导。图中的叉号标记了用于宽频波分复用的祸合长度窗口……………………45 图2.17设计的波分复用器的波谱响应。四个通带的中心波长分别为1.31、1.38、1.49 和1.55微米,从四个不同的输入波导输入可以得到相似的强度曲线。………………45 图3.1超紧凑的像点调制型1x3 MMI光开关…………………………………………。53 图3.2不同的相位调制组合下的各个端口输出(a)端口l、(b)端口2和(c)端口3……53 图3.3 Beamprop软件模拟的器件的初始态和几个开关态……………………………..54 图3.4描述成像特性和调制方法的3x3 MMI耦合器的平面图,其中连接波导处的阴 影区域为复合调制区。……………………………………………………………………….54 图3.5用于模拟的1×3开关结构示意图…………………………………………………56 图3.6随折射率调制量变化的归一化输出强度函数……………………………………..57 图3.7分别从三个端口输入下,归一化输出的波长相应曲线;图中说明了曲线与端口 之间的对应关系…………………………………………………………………………….57 图3.8 3x3型结构的多模干涉型三路波长可重排3x3光开关……………………………58 图3-9不同调制状态下,输入输出的对应关系(具体参数列于表3.2)…………………….59 图3.10级联MMI耦合器的NxN干涉型结构…………………………………………..60 图3.1l(a)硅光子线波导结构与光场(b)Matlab内置微分方程求解模块计算热场分布62 图3.12两个5x5 MMI祸合器组成的多值控制的光开关3.D模型……………………64 图3.13随有效折射率变化的多值开关的响应曲线…………………………………………64 图3.14基于MMI的3x23比特的逻辑编码器全图及未调制时的输出……………….68 图3.15多通道的二维MMI结构………………………………………………………..71 图3.16基于2.D(2x2)x(2x2)MMI耦合器的空间逻辑编码器的简图…………………….74 图3.1 7不同相位调制情况下的五种逻辑输出花样,对应表3.10中的五类情况…。74 图4.1(a)一维p.i.n结构(b)常用的p.i.n波导的注入结构………………………….80 图4.2由式(4.2)计算所得的一维载流子浓度分布。基区宽度为5pm……………..81 图4.3硅基小脊型单模波导截面结构及其尺寸…………………………………………8l 图4-4有限差分求解本征方程所得的脊型波导的几个低阶模的光场分布…………….82 图4.5Atlas软件模拟的二维载流子分布………………………………………………………………..83 图4-6不同偏压下的有效折射率变化和压控的损耗惩罚………………………………83 X 图目录 图4.7基于SOl的光调制基本结构的制作流程…………………………………………..84 图4.8器件样品观察样图………………………………………………………………..85 图4-9本实验室的测试系统图(右下角小插图为实验室实物照片)…………………………..86 图4.10(a)Y分支器、(b)1×2多模干涉器作为合/分束器的干涉型开关传输特性…..86 图4.11在一组器件中,计入不同工艺误差的两个样片的传输特性图………………..87 图4.12方向耦合器作3dB分/合束器的开关特性……………………………………….87 图4.13光调制器的动态测试图(取自1×1 MMI型光调制器样片)…………………88 图4.14来自不同路径的两束光在不同功率失衡因子下能获得的最大可能消光比…..89 图4.15(a)载流子色散中电子和空穴的调制效率对比;(b)在1.31um and 1.55 um时, 不同注入浓度下,冗相移对应的损耗惩罚………………………………………………………..90 图4.16 MZI型光开关的理论框架与光场的表示符号………………………………….90 图4.1 7最大可能开光串扰与n/2相移器的所需长度的等高图(对应表2的情形2.4).92 图4.18试验制作的MZ光开关,右图是波导截面的SEM图片…………………………92 图4.19该2x2开关器件在不同载流子注入浓度下,相移量和损耗惩罚的估计值….93 图4.20计入载流子色散效应的物理机制,对测得的传输谱曲线进行拟合的结果。..94 图4.2 1特定差分节点的热问题分析………………………………………………………95 图4.22有限差分方法计算的大截面波导的热场分布(10I.ts)……………………………….97 图4.23中科微电子生产的ICP.98A实物图…………………………………………….97 图4.24等离子刻蚀的原理图…………………………………………………………….98 图4.25(a)NJ Ce系配方进行Cr湿法腐蚀所获得的表面形貌(时间8min);(b)Cr的剥离 工艺;(c)钛的剥离;(d)Cr作掩模的ICP刻蚀结果……………………………………99 图4.26等离子刻蚀制作的一维布拉格光栅……………………………………………100 图4.27热光器件制作的版图与一组考虑长度容差的多值控制1x3MMI光开关……101 图4.28热光器件制作工序中的图形……………………………………………………101 图5.1两种典型的TM模式的非互易波导结构,磁光材料分别为芯层和覆盖层…..108 图5.2 Ce:YIG/SOI波导的TM模场分布图……………………………………………1 09 图5.3两种结构下的非互易相移随芯层波导的厚度变化而变化的规律……………….109 图5.4脊形磁光波导结构………………………………………………………………………….11 0 图5.5(a)所研究的MZI结构的三维折射率分布;(b)输出功率与法拉第效应强弱之间 的关系…………………………………………………………………………………………………1l l 图5-6二维磁光BPM的模拟结果图,(a)无磁光效应;(b)两臂推挽工作方式(4--0.012) …………………………………………………………………………………………………………………………….1 1 l 图5.7在多模干涉波导的像点延伸臂上添加非互易相移组成的六端口环行器……。112 浙江大学博士学位论文 图5.8(a)基于Ce:YIG波导的六端口环行器结构图;(b)在像点延伸臂处添加非互易相 移。图中将一个N.s.N的三极永磁体放置在Ce:YIG模上激发x方向的磁场…….11 3 图5-9(a)从端口6输入互易3x3 MMI耦合器的传输图;(b)磁光效应强弱对输出的影 q向…………………………………………………………………………………………………………………………1 l 3 图5.1 0用光束传输法模拟出的六个端口输入输出的工作状态(1-4…2 6 3.5.1)…….1】4 图5.1l基于磁光谐振腔的多频隔离器与环路器的一般性结构示意图……………….115 图5.12常见基于谐振腔的磁光环路器的结构…………………………………………116 图5.13本文提出的RCMZI的结构示意图。图中红色区域理应为通过外部激励可获得 有效磁光效应的波导……………………………………………………………………..117 图5.14两臂相位响应的四种交叉方式及其所产生的MZ输出光谱的线形………..119 图5.15五种可能实现有效隔离的隔离谱。括号中的设计参数分别为【td/1,,∥,,加,∥2]。 x和Y轴分别为归一化频率Q和MZ输出谱-线(dB)…………………………………….120 图5.16不同功率耦合比和振幅传输因子下(a)隔离峰值和(b)30dB隔离带宽等高线.122 图5.17当a=0.95时,RCMZI结构前向和后向传输的谱线图……………………….122 图5.1 8通信c带多波长交错隔离器的传输特性曲线。F和B分别表示前向和后向传 输。..……….…………….………….…….…………….….………..………..…………….…..……………….….1:!:; 图5.19(a)互易相移和(b)非互易相移的波长相关问题对传输特性的影响。图内标注的 数字为人为放大因子。…………………………………………………………………….1 24 表目录 表目录 表1.1常见集成光子无源器件及其所采用的结构…………………………………………..3 表1.2主流集成光波波导结构及其特性比较………………………………………………5 表1.3硅材料在通信波长处的调制物理效应………………………………………………6 表2.1一般、成对、对称干涉成像的特征比较………………………………………….29 表2.2考虑次相邻耦合的有限波导阵列的传输系数矩阵的特征值………………………35 表3.1各种相位调制下,不同开关状态之间的映射关系……………………………………55 表3.2不同的调制状态下,波长与输出端口间的对应关系…………………………………….59 表3.3从端口l输入的各种调制状态下的输出场型:(a)初始(无调制)状态及(b)第一 个(△n)、(c)第二个(2An)、(d)第三个(3An)、(e)第四个(4An)切换到的开关状态………65 表3.4最短3x3 MMI的输入输出特性……………………………………………………67 表3.5 23比特光学逻辑编码器的模拟结果:相位调制与逻辑态………………………69 表3-6 2.D(2x2)×(2×2)MMI耦合器的输入输出端口之I'口-J的相位关系………………71 表3.7改变输入强度和相位得到几种重要输出场型…………………………………….72 表3.8三个端口等强度输入对四个输出端口的贡献详细表……………………………72 表3-9实现三“ON”一“OFF”状态的两个步骤…………………………………………..73 表3.10不同逻辑态的实施方法和所需的相位调制,蓝色标示部分对应上述模拟结果74 表4.1已报道的MZ调制器的消光比……………………………………………………88 表4.2 MZ干涉调制的四种典型工作方式…………………………………………………9l 表4.3波导材料的热学参数………………………………………………………………96 表4.4以Si02为掩模材料的刻蚀参数摸索……………………………………………..98 表4.5由表4_4所得刻蚀结果的表面和端面形貌、刻蚀深度………………………..99 表4-6硅基热光波导工艺流程卡……………………………………………………….103 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料.与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者始厂舻略柳期:刃年夕钼铂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文. (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 凇黼张加嘻 签字日期:加哆年。‘月9石日 、 导师签名: l 辫嘲:纠年 日.‘H1房萄/少匕锄多 致谢 致谢 四五年前,像登天堂一样,我来到了梦寐以求的求是园,来到了美丽的西子湖畔。 而几个月后,我将要结束整整二十年的求学生涯,继续去追逐我的梦想。临行之际, 我要谢过多少年来一直默默关心着我的师友和亲人。 人的一生总会遇到几个贵人,江晓清教授则是我最值得感激的入之一。没有思师 的信任,我没有办法坐在这古朴的楼字之间;没有恩师的指导,我难以取得本文罗列 的各项成果;没有恩师的支持,我不能参加一个又一个的国际会议。作为毕业于思师 的第一批博士,我受全了各种好处,得到了全方位的悉心指导。恩师思维敏捷、视野 开阔、心胸豁达,对我影响深远。 我要特别感谢年高德劭的王明华教授,王老师严谨缜密的治学态度,高屋建瓴的 学术眼光,宽以待人的处世风范,深深地影响了我等后辈。我还要感谢杨建义教授, 他以身垂范,亦师亦友,对我的学业尤其是论文写作方面给予悉心指导。谢谢周强副 教授不厌其烦的为我重复溅射工艺,讲解等离子刻蚀工艺。谢谢李锡华老师、郝寅雷 老师,张国荣老师、朱月莲师傅在工艺方面的指导和多年来的照顾。 引领我进MMI的殿堂、为我找工作分忧的是大姐姐孙一翎博士;在我身体不适 时照顾我左右的是大师兄李宇波博士;知根知底、促膝畅谈的是知己于天宝博士;与 我共享学术思想、给我悉心指点是模范余辉博士;同窗五年、互敬互爱的是戚伟和王 帆博士。我想说,有缘认识你们是我今生最大的财富。我还要感谢实验室的师弟师妹 肖思淼、赵勇、陶栋杰、刘仕景、王婉君、贾文建等,你们的陪伴让我知道不是一个 人在战斗! 我要感谢巢湖的罗平教授、朱仁义教授、张宏彬教授、程民治教授和唐大平先生 一家,是他们的教育、鼓励和支持,成就了我昨日的梦想和今日的成绩。 感谢我伟大的母亲,她含辛茹苦的把我养大,竭尽全力供我们读书。她给了我生 命和生命中最多的记忆和感动!我永远不能忘却父亲的音容笑貌,是他短暂的人生铺 就了我成长的道路。在那个计划生育趋紧的年代,我有幸拥有两个宝贝姐姐;她们及 她们的家庭,对我学习、生活上的照顾和支持,让我知道亲情的无价.还有几个小家 伙,他们给舅舅枯燥的博士生活增添了无尽的快乐。特别感谢我的妻子石洪玲女士六 年来的陪伴、理解和支持,这个学位的一半是她的! 我知道,致谢是真正的结束语.我也知道,我走过,我还会回来1 2009元旦作者于求是园 1绪论 1绪论 1.1引言 三千年前,古人大批兴建烽火台,于边关危急之时点燃“狼烟”,传递战报,利用 普通光在自由空间进行视觉通信。这项发明至今仍能找到缩影,如交通红绿灯、航海 用灯塔等等。然而,原始的信息交换方式远不足以满足当今的人类需求。1 880年,贝 尔发明了“光电话”,证实了将光波作为信号载波的可能性,它利用话音振动装置加载 声音信号到光传输媒质,在接收端用硅光电池将光信号转化为声音信号,达到了语音 通信的目的。上世纪60年代,美科学家研制了第一台694.3nm红宝石激光器f¨。作为 一种稳定的相干光源,激光器的发明促进了用光束取代电流作为载体来传输和处理携 带信号。激光束可以在空气中传输,但光波在空气中的散射和衍射会导致很大的损耗, 此外,大气分子的震动会导致光的传输路径随时间而抖动【羽.继之,英华裔科学家高 锟证实,通过降低光纤中的杂质浓度【31,可获得满足实际应用的、损耗低于20dB/km 的光纤。光纤损耗的纪录在随后的研究中不断刷新,直至新近Coming公司推出的 0.17-0.18 dB/km@1550nm的单模光纤【41。经过这一系列技术革新,空气传输线路或射 频连接被传导光波的光纤广泛取代.低损耗的光纤与光纤连接器,可靠的A1GaAs和 InGaAsP连续波激光器、亚微米线宽的光刻技术及渐趋成熟的微细加工工艺,让人们 看到解决光源和光传输问题的曙光,极大的促进了光电子产业的发展。 为充分利用光携带的信息,光通信技术切需解决光信号的处理问题。尽管激光束 可用于信号处理,但它所需的光学元件,如棱镜,透镜,镜面,电光调制器和探测器 等,典型尺寸达几十英尺,且需装配在防震系统之上。因而,这种信号处理方法仅限 于实验室研究,不适于大规模的实际应用。因此,Tamir和Miller等人在1966年提出 了集成光学的概念f5】5,旨在利用微细加工工艺与薄膜技术,将大量多功能元件集成于 同一衬底之上,提高处理光信息的能力。在传统的电子集成电路的基础上,人们逐步 构思出各种微型光子回路。大批制造商开始探索微集成光子回路在不同领域的潜在应 用。 早期集成光电子器件的功能选择主要是针对光通信和光网络系统中的需求。光纤 通信有诸多优点,如抗电磁干扰、免于产生短路或接地环路、易燃环境下安全、易于 防护监控、小而轻、价格低。然而,其最显著特征在于低能耗,传输速度快,容量大 (带宽大).光网络容量正面临着前所未有的需求。为了获得大的传输容量,人们利 用各种复用技术将多种信号或者信患流复用,加载在同一载波之上,在终端再对复用 信号进行解复用,从而达到扩充容量的目的。光子不同于电子,无静止质量、无电荷, *Ⅱ^学博±学n论i 是玻色于.此外,光渡还有电子所不具备的矢量特性和波长特性.正是有7这些特性, 光通信网络可采用图1-1(a)所示的多种复用技术提高光渡在有限物理空间传输所携带 的容量,包括时分复用(时间分离)、波分复用(波长分离,通“频分复用”)、码分复用 (正交的不同码序列),甚至还可以采用模式复用161。如图I.1(b),光传输的复用方式也 带来了各种传输装置和光通信技术的演变。复用方式的发展大大缓解了传精容量的需 求,降低了信息传精的成本.2006年9月,NTT公司的一项实验刷新了光纤容量的历 史纪录,在】60km长的光纤中实现】4Tb/s的信号传精,雌111Gb/s的速度同时在光 纤中传输140路波分和偏振复用的信号171.有关专家认为,2015年光的传输网络必然 具备两种特征:用于高比特率的传输客户信号的超大容量光纤,以及为应对服务需求 而智能、灵活的配置网络”I。 图1.1 ra、提高有限物理媒舟传输客量的复用技术:空分,时舟和渡分复用fb)90年代 毗来.随着通信客量递增,光传精装置和技术的的演变…1 通信网络经历了一个世纪的社会变革和技术革新.从当韧通过本地接线员进行的 基本电话服务,发晨到每秒传输成千上万部百科全书的网络,数字通信网络经历了异 步,同步和光学网络等三个阶段I”1。随着传输网络的一步步升级,在每个网络节点处, 对光信号赴理系统的功能、性能、能耗也提出了更高的标准。集成光子器件要有效替 代目前的典型“电处理--E/O转换一光传输一O厄转换一光处理”链接,真正打破电 子器件的瓶颈,需要各种可集成的组成元件.如光源,光波导器件,光调制墨,光探 测墨,低成本封装,智能化控制.光学处理的关键器件是单片上的光波导器件与光调 制喜,其种类较多,概括之可虬整理为表l一】。所示的几种主要集成光学无豫器件, 大体有如下几类:光斑耦合/转换器,功率相位调制器件(光调制器,光开关),偏振 处理器件(分高,转换),波长处理器件(色散控制、渡分复用、波长选择、滤波) 等等。不同器件所用的渡导系统有所不同,有直波导、弯曲波导、锥形波导,光子晶 体波导.slot波导、多横波导,还有Y分支、x结、环形谐振腔、徽碟、光栅等一些 基本结构.本文所涉及的器件主要是相位型调制器及基于模式干涉的不同器件,如表 纪№ 中所囤定的几种光子器件。 采I.1常见集成光于无碌器件及其所采用的结杓 里竺竺!!!型竺!兰 !坚-g!! !竖堕竺兰翌坚!坚!竺!!!竺!坐竺竺!坚坠 Mode coⅡvertor M(TapeO √ √ V √ M √ 190wer splitterICombiner M M。 M √ √ √ Polarization Splicer(Slanted.e¨M M √ √ 州1 √ 图中缩写WDM;wavelength divisionmultiplexing;DC:directional coupler;MZ: Math-Zehnder;MMh multlraode interf日ence;PC:photonic crystal;WSS:wavelength se/ecri忡5¨i*ch;M:主漉,o.幸支涉及,/:有报道空白+有待谲研 为建立通信网络中特定点对点、端对端的连接,有机的实现空分和各种复用方式 相结合的网络,交换系统的研究至关重要[1 7I.此外,时下的光阿络要求支持多粒度业 务,用户对带宽的不同需求导致了业务的多样性,有光路交换,光分组交换[j…,光突 发交换,光标签及分组交换等各种新兴的交换方式。不仅如此,未来的光交换甚至要 在不同网络结构、不同复用方式的网络间进行信息交换,这使得光交换系统纷繁复杂, 功能种类繁多。光交换技术的含义是不采用任何光电『电光转换,直接在光域上将光信 号切换到特定位置f包括时间、空问、波长等)的过程.用于光互连的光开关的要求是 方方面面的I”】:I)尺度规模可变;2)大的输入输出端口;3)高可靠,低损耗及不 同路径中信号的均匀性;4)无阻塞特性(备特定通道互不干扰).本文基于MMI理 论,对传统的光开关进行的拓展研究,提出了光逻辑花样的驱动方案,简化了光开关 外加电调制的电极个数和调制方集,并对该类器件在三维空间进行了拓展。 褥…、一f习一叶@-…一《一》麟譬 ∑么。 图1.2纳米光子产业中各种应用的市场份翱与堵长趋势|l 9l mⅡ^学博±4证n女 集成光学的早期发展受到7光通信技术的极大推动。而近年来,集成光电子器件 的线度也正从以前的微米量级走向亚微米,直至纳米量级,在很多前所未有的领域得 到了拓展性应用.欧盟委员舍组织了一个叫做MONA(Merging Optics and Nanotechnologies)的联盟,于2005年发布了一篇长达160面的关于纳米光子技术蓝图 的报告o”】。这篇报告总结了纳米光子技术所涉及的应用领域,潜在市场和发展动态, 主要包括显示、光伏.传感、照明、数据通信,光互联、存储和器件等九个方面,如 图1.2所示。Amber Jenkins在Nature photonics杂志对该报告作了短评【2“。作者认为 微光子元件尽管像晶体菅之于集成电路一样,自身对市场利润的影响非常有限,但它 可能会迎来新的技术革命,这种价值是无法估量的.人们对集成光子器件的研究水平 远远落后于集成光学系统工程师的构想。即便是组成大规模阵列的光开关器件也停留 在实验室的论证和摸索阶段。因此,加大力度研究集成光子器件具有非凡的枣义。 科学家对何种材料将成为最佳选项尚存在不同吹见口”。早在上世纪七十年代.人 们就概念性的提出7类似于集成电路的“光超芯片”,包括光反射,光调制,光放大, 光隔离,光探测以及后来的与电子混合集成.表1.2列出7常见的几种光电于材料。 关于集成光学的早期工作主要集中于铌酸锂、磷化铟或砷化镓等三五族化台物。光电 子材科发展至今,仍没有一种衬底材料能适于所有器件的设计。因此,人们需要在各 种材科问形成妥协,将不同材料键台或粘合在一起,最优的发挥出各自的特性,进而 实现不同材料的混合集成,如InP作为村底便于制作光源;Siliea用于光传输;铌酸锂 用于光高教调制,聚合物材料用于DWDM,其它某种材料用于EDFA等等.图1-3(a) 所示为si子板与Silica母板的封装技术【2“.混合集成有较成熟的工艺条件,且各组成 部分可靠性高,难点在于封装和对准技术。相比之下,如图1.3(b)所示的仅采用一种 衬底材辑的单片集成则尺寸更紧凑,集成度更高,具有自准直功能,成本也将有所下 降,难点在于制作工艺水平和主导材料的物理特性的限制。 澄◇ 黪,髟二.d●飞圈盈罗 图1—3(a)荚Ipswich集成光于研究中心的混告封蓑芯片(b)光子晶体单片集成构担【二3】 如表1-2所乖,不同光电子材料有其独特优势。从单片集成角度考虑,最近的研 究显示,硅是最有可能实现大规模光电集成的材料.尤其是SOl材料,它构成的光披 1绪论 导折射率差大、光能限制很强,具有天然的氧化层,在通讯波段传输损耗极低,易于 与外部控制部件实现连接。以ULSI SOI CMOS技术为基础的IV族纳米光子集成有望 主导OEIC的市场。除此以外,与硅材料相关的SiONt241、s.N【251、Ge/Sit26】【27】等材料 的波导也获得广泛的研究。 表1-2主流集成光波波导结构及其特性比较(更新于【28】【29】) 1.2硅基光电子的研究现状 硅作为一种光学材料已经经历了很长时间,可以追溯到上世纪八十年代中期,然 而当时的进展非常缓慢【34】【351.当时,硅作为光子材料的研究成果比不上三五族化合物 (InP,GaAs系),比不上绝缘的铌酸锂材料,甚至比不上用硅作衬底的silica。原因主要 在两个方面:一是因为硅是间隙半导体,难以发光;二是因为硅的立方对称结构使得 单晶硅不存在线性电光效应(Pockels效应)难以对其进行光调制【3们。传统的快速光 调制则主要就是依赖于这种物理效应。本征硅材料有较高的热光系数(~104),然而热 光效应的调制速度相对较慢,典型值为kHz量级.硅也有较高的自由载流子效应,但 载流子的变化不仅改变折射率的实部,还同时影响折射率的虚部,带来额外损耗。此 外,载流子效应的速度也受到载流子寿命的限制,当时的最高工作带宽仅为20MHz, 尽管也有硅调制器的调制带宽可以超过l GHz的说法[37】. 过去十年来,硅几乎成了研究最广泛的光电子材料,世界主要发达国家和地区都 有科研机构在从事相关项目的研究,包括英特尔,IBM,康奈尔(Lispon),MIT,加州大 学圣巴巴拉分校(J.Bowers)、洛杉矶分校(Jalali),Columbia大学(R.M.Osgood,Jr),美 国空军研究实验室(R.Soref),Italy硅光子组(L.Pavesi),比利时Ghent大学(Roel Baets), 英国Surrey大学(Reed G T),新加坡微电子所,英国微光子与光子晶体课题组(st. 5 浙江大学博士学位论文 Andrews),中国香港(Andrew Poon),等,此外,我国有中科院半导体所,上海微系统 所,华中科技大学,吉林大学,中山大学,东南大学,浙江大学等都跟进了相关课题 的研究。 表1-3硅材料在通信波长处的调制物理效应 硅光子学的迅速发展主要归功于人们对si物理特性的认识的提高,如表1.3所示。 如上文所提,硅材料因为其结构不存在线性电光效应,难以获得铌酸锂等典型材料的 电光特性,因此人们更多的关注硅的热光效应。热光效应用于相位调制的优势在于其 没有伴随的附加损耗,且相移臂的长度可以很短(~300pm/n),广泛的用于器件工作点的 偏置【4¨.由于二氧化硅绝缘层的传热系数较小,基于SOI(Si/Si02/Si)材料的热光器件 速度一般在10ps量级【421。为提高器件速度,研究人员提出了多种方案,包括制备高热 传导率的特殊绝缘层(如A1203)f43】【44】,超薄波导结构(3ps)【451,在硅中低掺杂B+离子直接 通电【461,改善调制脉冲的结构可以提高器件的速到亚微妙量级【471.热光效应的另一个 问题在于热隔离【481,为了增强光场和热场的有效交叠,减小相邻通道间的串扰,实际 工艺中往往需要制作热隔离槽,这不利于与器件的小型化。 研究表明,硅的光学特性受载流子的注入和抽取影响较大。RichardA.Soref在前 人的自由电子光吸收谱和空穴光吸收谱等实验结果的基础上,用Kramers.Kronig关系 对电场和载流子所产生的折射率变化进行了数值分析【491.从光学角度来说,来自掺杂 离子化或是注入的载流子对折射率的贡献差别不大,因此很多折射率变化谱是通过前 一种方法计算而来.载流子注入效应在今年来得到了充分利用,载流子在不同结构中 的注入和抽取效应被用来控制光的行为。2004年Ansheng Liu采用大截面的MOS结 构首次将硅基光调制器的速度提到到1GHz以上【501,而在这以前,硅的调制速度仅停 留在20MHz[51】。这一结果极大地促进了硅基光子学的发展。载流子效应的调制不仅速 度快,而且与CMOS工艺相兼容,易于制作。2005年Intel公司再次把调制器的速度 提高到40GHzt52儿“J. 此外,硅的非线性效应,如Kerr效应、Raman效应也非常可观【541,基于硅纳米 6 绪论 波导的自相位调制‘删{5“、交叉相位调制,双光子吸收【5705”,四溲混频‘5”、拉曼效应 [删p I,孤子传输效应162]163肄现象均被用来宴现不同功能的器件。 田I-4 2004年咀束,IBM,Intel领衔的硅基光子发光,调制,存赭、探测等嚣件的宪 破(子田片来自Inte]、IBM等公司网站) 如In/el所描绘的发展远景所说,为“硅化”光子学,有六个主要领域或基本摸块 需要进行研究:发光、光路选择与光传精、调制光、探剥光、封装器件、光的智能控 制。近年来,科学家在这些方向取得了一系列突破。2005年,Intgl利用自身现有的高 窑量标准CMOS3-艺制出了基于Raman效应的第一个全硅连续激光器.这一突破促进了 以硅材料为媒介的光放大,激光器、波长转换和其它无损耗器件的研究。紧接着,InteI 与UCSB宣布正式了世界上第一个电驱动的混合硅基光器。这一器件充分发挥了硅的廉 价lnP材料的发光能力164}[6”。此外,过去的几年里,人们还研究了幔光、光缓存等功 能性器件。340GHz的Ge/Si雪崩光探测器1蜘。 徽电子的发展道路证明了硅材料在集成方面的绝对优势。硅光手器件的迅猛发展 大大促进了光电子器件往系统集成方向迈进.朝集成方向的努力首先表现在分立光子 器件的阵列化。目1.5培出T近三年来,科研人显将几种不同硅基墨件进行阵列化的 成果,有级联的热光纳米波导开关【6”-渡分高速调制复用系统和级联的高速开关阵列 ㈣】,化台物半导体与硅的混合激光嚣阵列m]+基于特定反射角的平面部分反射镜的功 分器阵列m】,广角的Y分支功舟毒阵列【7“,光子晶体结构的多路波分复用系统等等 ㈣。显然,分立元件的阵列亿是瞄单元器件的优越性能为前提的.尽管器件阵列亿过 程一艘并未对工艺制作方注提出新的实施方辜,但其本身对扩大系统容量和并行光赴 *汀★4*±#位ti 理、光处理方面具有重要意义 圈1.5最新报道的分立光于器件(如分束器,光开关 片内激光墨1的阵列化L67-721 元件阵列他的下一步发展阶段势必就是呈现一定规模的集成,将光源、光调制系 统、光处理单元、外控设备、甚至光缓存等分立的或阵列化的元件集成于一体。世界 领先的光电子元件研究单位都提出了很多光电集成的设想.图1.6(a)是Intel公司给出的 集成方寨,光的传输路径和电路布线被置于同一平面内,此外还包括光源、光探测等 设备。图1.6『b1则是iMEC研究小组给出的研究愿景。无源的波导器件、三五族的徽激 光器,调制器、热控装置搜集成在一个平面内;而电子电路被置于另一层芯片之内。 然后,用BCB将光子芯片和电子电路芯片在垂直方向粘合,从而实现光电混合篥成. 总之,人们把希望寄托在硅材料身上,希望它能承载不同的元器件,不同特性的光材 料,突破电子瓶颈、降低产品成本、获取超强性能的光电子集成系统. (耐 (b) 图】.6各种不同粪器件的单片集成.硅基光于的目标是利用硅的标准半导体工艺将诸 如敢光.菠导。调制器等元件集成干有机的一体. 一惑。兰兰簿一麓 1.3集成光子器件的研究动向 无论是集成光子回路还是光电混台集成,最根本的是研究和发展集成光于器件. 集成光子系统的研究固然重要,但缺乏基本光子嚣件的支撑就犹如空中楼阁,可望而 不可及。就连一个结构看似简单的调制墨或是光开关,人们都很难满足备方面的要求, 包括插入损耗、偏振依赖特性、消光比,串扰,工作带宽.调制损耗、速度等等。因而, 本论文的工作主要围绕光子单元器件的研究展开。作者持集成光于器件的研究目标用 五“s”来加以概括,即简易化(Simpl神,小型化(Smaller),高速化(Swifter),智能化 (Smarter).节约'/t.(SavingEnergy&Cost). Simpler:很显然,对于具有同种功能的光子器件,器件结构越简单趣受欢迎.比 如,为降低复杂程度,调制器和光开关等常选用直波导、弯曲波导、MZ干涉结构, MMI结构,馓谐振环等来结构实现f删。 “简单”并不仅仅指几何结构,还得考虑的是工艺的复杂程度.比如,图I-7fa】 方向耦合型结构几何简单,但对于平面工艺来说,光刻技术难以精确实现狭小的耦合 同隔;而对于垂直耦台型耦合来讲,目前的材料生长技术能够精确控制各层薄膜的厚 度及组分,在很多微环、截碟结构的制作中备受青睐.再比如,倾斜波导非常适用于 实现偏振转换器的小型化,但斜向刻蚀技术远不如垂直方向的刻蚀,因而本文为凸现 工艺艄作的优势.提出了基于两步垂直刻蚀技术的倡振装换器的实现方案. 光调制器和光开关通常需要外加物理效应控制,因而有时也被认为是“有源控制” 器件.当开关阵列的输入输出端口很大时,如图1.701所示的l“光开关,外加电极 数目凌乱,且控制方法复杂,需要多个电极之问的协作和搭配iv4][751。正因为如此,简 化外控方式也是墨件追隶简单的方向之一.本文的重点工作之一在于提出简单的光开 关控制方式,整合各个分离且相互独立控制的调{}I区,以获得好的控制方集和功能. 丘邑垄如p雾 砭?。 圈l-7(a)简化单通道垂直耦台谐振腔【7q,0)控制方式有特简化的多通道MM]开关 [7411“t51 Smaller: “集成”光子器件的初衷是为了实现大量分立光于元件的大规模集成, 因而,减小产品尺寸和加工探测徽小物理尺度是集成光子器件的生命所在。波导是光 在有限空间内的传输媒介,因而减小渡导尺寸是提高集成度曲必然趋势。硅材料作为 *让★々*±#位女 首选材科的原因之一是其大的折射率差(一2 0),适于制作300nm线宽的硅波导.图 I一8给出了随着尺寸减小,硅波导内的光场模斑变化。为了达到高的光纤耦合功率, 早期工作大多集中于基于丈截面理论的脊形渡导.这种波导对工艺要求低,易干制作 但不适干大规模集成。单个器件尺寸很大.随着器件理论的发展,逐渐出现了亚微米 波导【7”,直至硅的单横纳米线波导.硅纳米线波导能持光场强限制在o ham的截面之 内,在如此小的尺寸内很容易激励出波导的非线性效应,提尚有源调制的效率.随着 集威度的提高,人们还研究了金属纳米波导,仅有几十纳米甚至几纳米的波导厚度. ◆:令:◆”◆ 圈l_s口种不同尺寸的脊型渡导的TE模式电场分布:扣)w-4,H 5,^=3,(b)W=I 2, H=I 5,h=0 9.(c)W=06,H=0 6,^-0 3,(d)W=0 3,H=0 3.h-0 此外,减小单个器件的尺寸也是不能回避的。以基于等离子色散效应的硅光调制 器为例,由于硅材料的载流子色散效应相对于热光效应的调制效率较低,实现n的相 移臂的典型长度为几毫米.然而,通过优化波导尺寸和结构,最近IBM报道的MZ干 涉的调制器长度仅有200“m,使得宽带宽调制器的大规模集成成为可能【7”.若不追求 带宽特性,基于Silicon微谐振的调制器的尺寸可以达到5“m x 5pm㈣; 基干光子晶 体慢渡增强效应的调制器的相移臂长度仅80“mI驯;基于布拉格光栅的调制嚣的长度 仅6”m以内川;光子晶体耦台器的色敢特性可使耦合周期缩小至5um.甚至,有人利 用可见光控制小尺寸硅Mach—Zehnder结构,改变其空间上吸收的不均匀分布,所制得 的全光调制器才几纳米㈣.图1.9中一系列报道的器件都是人们在器件尺寸上所作 出的努力。 ■乡’习.酒 围1.9采用PIN结构硅载漉子色散效应的硅光调制器在尺寸上的寒破f文献178H82l、 Swifter:不断膨胀的通信容量,以及实时处理的业务需求对器件速度的高标准是 不言而喻的.早期硅调制器或光开若的主流调制机制是热光效应.而几十微秒量级响 应速度的热光效应远不及电子开关的速度,不能满足高速集成芯片的要求.尽管上艾 提到的各种应对方案对技术创新来说是一大步,但是对器件速度的提高却只是一小步。 为达到高度调制的目的,停顿已必的载沆子色散效应再次被嫩活.2004年,Jntel利用 其先进的MOS工艺制作的光调制器达到前所未有的高度一1GHz.接着,2005年Intel 对MOS结构的尺寸进行改进和优化,增加了在绝缘层上再生长单晶硅的外廷侧向生 长X-艺(ELo),所制作的调制器速度达到10GHz[“I.2007年Comell报道的p-i.H结构 的开关达到12.5GHzr”I。Inte[采用反偏口“结的载流子耗尽效应实现的调制嚣速度达 到40GbiVs.这一系列成果基本触及到了载流子教应的极限,尤其是p.pH注入结构受 到载流子寿命的限制.在硅村底上制作台有其它材科的复合波导成为提升器件调制速 度的一种有效途径,如UCSB利用AIGalnAs量子阱材料中的载流子耗尽与消逝波作 用,可让器件调制速度达到10Gb/s【州;Intel借用覆盖硅波导的聚合物的电光特性所 制得的徽环调制器的速度亦可以达到10GHzl”】.加州理X-大学则利用Silieon/Poiyer 混合波导系统曲Kerr效应实现了THz的光调制。这些研究为片内高速调制铺就了坚 实的道路㈣。 菱蕊篷童 ∞o 2盖=,¨”一k竺竺———_j—■■■■■■■■● 图I-10硅光子器件在速度提井过程中舳几十节点lSI】【50/[5” Smarter:追求器件的功能、性能都可以划分为器件的智能化的范畴.主要表现为 下列几个方面:(1)提高墨件处理信息的能力,如把波分复用器件的通道数进行扩充、 在保证低插入损耗和高度均匀性的同时增加功率分束器的路鼓[”】、用端口数大的光开 关取代级联的光开关阵列等:(21探索光器件、系统的新功能与新应用,如光子器件在 生物传感等领域的应用.解决光通信中特定的网络结构与路由问题ISS]。(31类比干数字 电子器件获得光学逻辑或计算功能.如门光路,编码解码、触发器等。(4)提高对复杂 环境的抵御能力,对温度或是工作环境不敏感.随着各种应用需要,具有新特性、新 功能的器件还会出现。 Savin2 fEnergY&Cost):节约成本不属于技术层面的问题,目此在本文论述不作 考虑。而节能包括两个方面:(1)降低信号光的光功率、传辅路径的损耗,器件的插入 损耗。(21降低控制回路或控制光的损耗或工作功耗.降低器件的能耗,意味着光电集 成芯片的驱动设备能耗降低.过高的能量集中于波导或电极微小尺寸内会产生热效应, 进而引起相互通道之间的串扰,影响器件的工作环境与稳定性,不仅如此,还舍加速 器件的老化。因此,降低能耗尤其重要.在集成光学器件的研究中,降低能耗主要袁 *“女{博±{恤论女 现为降低器件损耗、降低驱动电压m】电流或功率。固此,高速调制器还会采用单位bjt 所需的能耗(n为标准…。 目 图1-11已有技术和CMOS工业在速度、尺寸、成本和能耗方面的比较【9 国际半导体技术蓝图ITRS rInternationaltechnology roadmapfor semiconductorsl深 入分析T今后15年半导体技术发展方向【“J.圈l一11表明,在光信息处理和光子计算 出现很多新若的技术,但是它们仅仅在各自的小范围内行之有效。光技术在用于高速 计算方面是以功率耗数为代价的。例如,在光控相位变化材料(开关或存储),在一 个小元胞内对原子进行快速排列需要供给很大的能量。因此,若要遮到人们期望的、 近光速的运算速度,需要的能量超乎寻常。也可以说,如何行之有效的降低功率耗散 是器件设计中必须考虑到的问题。 1 4本论文工作的研究思路 上文主要阐述了硅基光子学的研究背景和现状以及集成光子的设计思想。本文的 主要工作是基于光波导的自映像厚理。以硅基SOI材料为实验基础,构思新型的干涉 型光子器件,包括模式转换、光调制器.多通道光开关、光学编码嚣和环路器等。此 外,本文还探索7将磁光材科引入谐振结构后的新型功能。 自映像原理最早发现于自由空间,当光经过周期物体后在物体后的周期距离的位 置上会呈现周期性像点。后来自映像原理被拓展到了有限光束传输空间内,广泛的
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