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。
优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IG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。
摩托罗拉宣称中央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PowerPCG4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，虽然导波层硅和限制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132单模T分支耦合器，其SOI脊型波导宽度为6卩m波导内脊高为815卩m刻蚀深度为3卩m器件的两个分支的损耗分别为510dB和512dB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434 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0136dB,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013卩m3013卩间距仅为013卩n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10卩m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 , Y ulia ng Li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1525〜1565nm波长范围内的插入损耗为113〜319dB,最大衰减量为26dB,最大电功耗为369mW，响应时间为100卩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015dB.整个器件在1530〜1590nm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限制，热光调制器的调制频率无法超过1MHz,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1513dB.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215a m3213u m降低到116a 口3110 n并用ELO(e pitaxiallateralovergrowth)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1155" 时，分别为1186310 - 4/ K和156 W/ m2K.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as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131MZI热光开关采用了016a m3012Qi m的矩形截面的单模波导•在波长1155am时，开关功耗50mW,开关时间小于315a S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232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± 2 a 消光比2315dB附加损耗110dB芬兰Helsinki大学和VTT研究所在2004年共同报道了232的MZI热光开关［16 ］，开关是基于10 a 口39卩曲勺大截面脊型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 a s在大规模开关阵列研究方面，中科院半导体所［17］报道了16316光开关阵列，器件的消光比为1318dB〜2412dB开关单元采用MMI2MZI 结构的232开关，开关单元的功耗为210 mW〜230 mW响应时间小于3卩S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. 55am时，分别为1. 86310-4 /K和156 W/m2K。
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。