集成光学研究现状.docx

集 成 光 学 研 究 现 状

牲各种器件的性能。

1.2光波导调制器

光的调制技术包括内调制技术和外调制技术。所谓内调制是指利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光的特性随调制信号而改变。其面临的主要问题是咽啾效应和调制带宽受限，主要挑战是如何提高激光器的调制频率。外调制是指调制信号作用于激光腔外面的调制器并产生某种物理效应，如电光、热光、声光和磁光效应，使通过调制器的激光束的某一特性随调制信号而改变。外调制技术可以避免内调制技术中出现的咽啾效应，目前人部分系统采用的都是外调制技术。

SOI光波导调制器不但具有尺寸上的优势，而且在功能和性能上也相当出色，已成为光波导调制器的典型代表。通常，波导调制单元利用材料的热光效应、电光效应或等离子色散效应来实现光的调制。因为硅是一种中心对称晶体，不仅不具备线性电光效应，而且二阶电光效应也很弱，所以基于硅材料的光波导调制器只能通过热光效应或者等离子色散效应改变材料的折射率，实现光的调制作用。基于热光效应的调制器称为热光调制器，其缺点是调制速度相对较慢。基于等离子色散效应的调制单元涉及到电学参数的变化称为电光调制器，其调制速度相对较快，缺点在于调制过程中会产生能质的衰减，而且注入的高浓度载流子会影响调制器的性能，电流引起的发热也会带来功率损耗。

本义介绍的光波导调制器是一种硅基调制器，其调制方式主要有热光效应和

电光效应，下面我们简单介绍这两种调制方式。

热光调制器

硅材料的热光效应是指随着温度的上升，硅材料的折射率随之增人。因此可以利用热光效应来改变硅波导的折射率，根据该原理制作的光调制器称为热光调制器。此外，硅的热光系数井不是恒定的，随着温度的上升，材料的热光系数呈线性增人的趋势，材料的折射率变化加快。说明随着温度的升高，热光调制的效率将随之提高，这有利于降低器件的功率损耗。但是在调制过程中不可避免地出现热扩散的问题，一般热光调制器的响应速度受到热狱扩散速率的限制只能达到亚亳秒症级。通过复杂的差分控制电路，能够将调制器的响应时间降低到微秒以下，但是这会增加器件的复杂性，制作工艺也将变得更加复杂。虽然基于热光效应的调制器的调制速率相较于电光调制器更低，但是器件的制作工艺过程相对简单，成品率也相对较高。

电光调制器

硅材料在微电子集成领域有着不可替代的地位，而在光电集成领域，硅材料却并不适丁光电器件的制作。首先令 硅材料不是直接带隙材料，不能制成离效的激光器等发光器件。另外售 由于硅材料不具备线性电光效应，所以不能采用外加电场的方式直接改变材料的折射率，因此也不适千光调制器的制作。正是由于硅材料的这些先天不足，所以在制作光电集成器件时，更多的是采用光电性能更为突出的.UI-V族化合物、伲酸锥等材料。但是由于硅材料与成熟的CM.OS工艺技术具有高度的兼容性，一些性能优越的硅某光波导电光调制器也不断的被提出·`设计并制作出来。

硅的折射率和吸收系数随着材料中自由载流子浓度的变化而变化，这种现象称为硅的等离子色散效应。等离子色散效应表明硅的折射率随着自由载流子浓度的变化而变化[4]。目前国际上绝大多数戳速SOl)t开关、光调制器都是某千硅的等离子色散效应实现的。集成于硅某上的森速光调制器是实现片上多核间光通信的基本粮块，其特性是影响整个系统性能的蜇要因索之一心高肚能的光调制器应能实现低插入损耗、人消光比和高调制速率的线性调制特性，此外还应与成熟的CMOS丁艺技术相兼容。硅基电光调制器按结构划分有马赫－曾德尔干涉(.Mach-ZehnderInterf可ometer,M.ZI)结构、微环谐振结构、法布旦珀罗(Fabry-!Perot,

.f-P)结构和布拉格(Bragg)光栅结构等。

片上／间光互连系统(OpticalInterconnectionSystem,Ols)中卞在极小的尺寸内实现磊速和低功耗的线性调制至关贯耍。国际上对基丁等离子色散效应的硅某电光调制器的结构和机制进行了一些改进和创新卞提出了一些新型电光调制器及其集成根块。

2004年Intel公司的A.Liu等人采用成熟的CMOS制作工艺技术，并利用MOS电容对载流子的积聚技术实现了第一个3dB带宽为lGHz的调制器[5]心随着器件设计水平和材料质用的提升，2005年，Jntel公司的M.ichae[Mors43等人报道了一个由ll个小的MOS电容组成的基于M.ZI结构的光调制器[6]，其调制速率达到iOGbit凡消光比为3.8dBt