（物理电子学专业论文）透镜光纤与平面光波光路芯片的耦合技术研究.pdf

东南大学硕上学位论文 摘要 平面光波光路( p l c ) 集成芯片将在光信号处理、光通信、光子系统设备中得到广泛应用， 耦合封装是p l c 集成芯片研发的技术关键。影响耦合效率的主要因素为光纤与p l c 芯片 模场失配和折射率失配。优化设计合适的楔形透镜光纤且在p l c 芯片端面镀抗反射膜，是 降低p l c 芯片耦合损耗的有效手段。 本文首先利用束传播法( b p m ) 数值分析了楔形透镜光纤在楔端内部的传输光场和出射 光场，并通过实验测得楔形透镜光纤的出射光斑，验证了理论的结果，确立了楔形透镜光 纤一定出射距离处的光斑形状和尺寸。接着，讨论了楔形透镜光纤的制作工艺，并对目前 广泛应用在光子芯片耦合封装中的金属化光纤进行了分析，发现金属包层对光纤基模场没 有影响。然后，从减小p l c 芯片端面反射损耗的角度出发，设计出芯片端面抗反射膜；根 据实际耦合条件建立了楔形透镜光纤与p l c 芯片的耦合模型，基于时域有限差分( f d t d ) 法，优化模拟出最佳耦合参量，包括楔形光纤透镜曲率半径、透镜楔角与耦合距离等。最 后，在本实验室先进测试平台的基础上，构建实验系统，对不同的楔形透镜光纤与p l c 芯 片进行耦合试验研究，得出最合适的耦合方案，透镜曲率半径为5 u m 、楔角为5 0 0 的楔形 光纤与1 1 1 p 基p l c 芯片的耦合距离为5 5 u r n 时，耦合效率最大，该结果与数值模拟结果一 致。 关键词：平面光波光路芯片；耦合封装；透镜光纤；束传播法；时域有限差分法 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t e dp l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) c h i p sw i l lb ew i d e l yu s e di no p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n g , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n dp h o t o n i cs y s t e m s c o u p l i n ga n dp a c k a g i n gb e t w e e n f i b e r sa n dc h i p si st h ec r u xo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rp l ct e c h n o l o g y t h em a i nf a c t o r s o nt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya r et h em i s m a t c h i n go fo p t i c a lf i e l da n dt h ed i f f e r e n c eo fr e f r a c t i v e i n d e xa n dh e n c et or e d u c et h ec o u p l i n gl o s se f f e c t i v e l yt h ef i tw e d g e ds i n g l e m o d ef i b e r ( w s f ) a n da n t i r e f l e c t i o nl a y e rp l a t e do nt h ep l cc h i pa r ep r o p o s e d i nt h i sp a p e r , t h eo p t i c a lf i e l de v o l v i n gi nt h ew e g e dt i pa n dt h eo u t p u t t i n gs p o tf r o mt h e w s fi ss i m u l a t e db yb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) f u r t h e r m o r e , t h ee x p e r i m e n ti s a c c o m p l i s h e dw h i c hv a l i d a t e st h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dt h e r e f o r et h eo p t i c a lf i e l do fw s fi s c h a r a c t e r i z e d s e c o n d l y , t h ef a b r i c a t i o no fl e n s e df i b e r si sd i s c u s s e da n dt h em o d e so f m e t a l - c o a t e df i b e r sa l ei n v e s t i g a t e dt od r a wt h a tt h em e t a l l i cl a y e rh a sn oe f f e c t so nt h e c o r e - m o d e t h e n t h ea n t i - r e f l e c t i o nl a y e ri sd e s i n g e do nt h ep l cc h i pf a c e tt or e d u c et h e r e l e c t i o nl o s s t h ec o u p l i n gm o d e lb e t w e e nw s fa n dp l cc h i pi se s t a b l i s h e da n db yf i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) m e t h o dt h ec o u p l i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt h eo p t i m a l c u r v a t u r er a d i u s ，t h eo p t i m a lw e d g e da n g l ea n dt h eo p t i m a lc o u p l i n gd i s t a n c e ，a r ec a l c u l a t e do u t f i n a l l y , t h ec o u p l i n ge x p e r i m e n ti sc a r d e do u to ni n pb a s e dp l cc h i pa n dl e n s e df i b e rw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r sb a s e do nt h ea d v a n c e dt e s t i n gf l a t f o r mt of i n dt h a tt h eo p t i m a lc u r v a t u r e r a d i u s t h eo p t i m a lw e d g e da n g l ea n dt h eo p t i m a lc o u p l i n gd i s t a n c eb e t w e e nw s fa n dp l cc h i p a r e5 u m ，5 0 。，5 5 u mr e s p e c t i v e l y , w h i c ha c c o r d sw i t ht h es i m u l a t i o n sw e l l k e yw o r d s ：p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i tc h i p ( p l c ) ；c o u p l i n ga n dp a c k a g i n g ；l e n s e df i b e r ；b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) ；f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声讶衡量交的学位论文是我个人在导师指导下进霉亍鲶研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他入已经发表或撰写过酶研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 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 贡献均愁在论文巾作了甓确的说嚼并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 王液一。导师签名：盈日期：州。尸 第一章绪论 第一章绪论 2 1 世纪人类将进入信息时代。为了自身的进步，人类不断地开发出的新的产龋和剑造新 的生活环境。以信息传输和信息处理为主体的信息化建设潮流也必然随之到来，i n t e m e t 、 可视电话、远程教育、电视购物、视频点播、离清嫩艘电视及交亘式有线魄视以及其他的各 种l p 业务对通信业务的发展提出了进一步实现网络高速化和宽带化的迫切饔求，同时也需要 在短距离内形成连接密集型的网络，作为信息社会支柱之一的光纤通信技术正进入个全新 的发展阶段。光纤通信以其高带宽、高速率、高的可靠性帮高保密性的特性成为现代通信网 络的骨干和支柱。 光纤通信的大力发展在很大程度上依赖于光器件的发展，然而光器件发展的关键就是平 菰光波光路芯篾技术，糕合封装技术在平露光波光路( p l c ) 芯片发展过程中起着举足轻重 的作用，也是制约p l c 芯片商用的主要因素。本章主要回顾光通信网络和光通信器彳牛的发展， 对各种材料的平面光波光路芯片进行了回顾和总结，综述了透镜光纤在平面光波光路芯片耦 含封装技术孛的应用。 1 1 集成平面光波光路器件研究进展 1 1 1 光通信网络技术现状 光纤逶信在现代信患科学技术孛酶举足轻重建位已是有疆皆碑，它的出现和发展大大改 观了现代信惑技术的面貌，也是通信发展道路上的一次革命性交革。自从1 9 7 7 年，在美国芝 加哥和圣塔摩尼卡( s a n t a m o n i c a ) 之间首次开通了商用的光纤通信系统以来，许多人发现一 对必有头发丝耀绍的玻璃丝，竟然戆圊时开通8 0 0 0 路电话传输速率达4 5 凳院乒渤，这一成栗 震惊了世界。但是到现在，这样容量的光纤通信系统已经不足为奇了，光纤通信的通信容量 之大、传输速度之快都是十分惊人的，到2 0 0 0 年，全世界8 0 以上的信息传送业务都由光纤 通信来完成，在当今社会，光纾遴焦特别是秃澡光薅络翡发展更蹙使人类的生活发生了熬天 覆地的变化i n 。 目前光通信技术已进入到光网络时代，从历史上看，光网络可以分为三代。第一代光网 络巾光昃是翔来实现大容量传输，所有的交换、选路和其馋智能都是在电层厦主实现酶，s d h 就是这种第一代的光网络，而目前正在开发的光传送网( o 下n ) 和全光网络可以分别认为是 第三代光网络和第三代光网络。o t n 在功能上类似于s d h ，只不过在o t n 所规范的速率和 格式主实瑰瑟已，两全光网络粼不蕊，此瑟尊传送、复嗣、选路、蕊控和有些智韪将在光层面 上实现。从更广义的角度看，光网络还应该覆盖城域网和接入网领域，这西个领域的光网络 则不仅具有更加丰富多彩的技术选择，而且技术特征上也有很大的不同。 首先，低成本是城域鼹w d m 系统最重要熬特点，特别是按每波长计其成本必须明显摄 于长途网用的w d m 系统。幸运的是由于城域网范围传输距离通常不超过1 0 0 k m ，因而长途 网必须用的外调制器和光放大器可以不必使用，从而减少了分波器和合波器的复杂性，光放 大段镌设计仅仅是光损耗的设计，十分简攀明了。最嚣，由于没有光放大器，波长数的增加 和扩展也不再受光放大器频带的限制，可以容许使用波长间隔较宽波长精度和稳定度要求较 低的光源、波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，降低了 整个系统靛成本。 总的看，对于光纤赘源短缺的城域网或者大型城域网的核心层乃至未来的汇聚和接入层 面，城域w d m 多业务平台都将是种有长期技术寿命的通用解决方案。c w d m 多业务平台 东南大学殒圭学位论文 尉最适合城域汇聚和接入阏部分以及企妲局域丽的延伸和存储祸等短距离应用。 其次，从光纤接入看，光纤接入网，特别是无源光网络( p o n ) 应该是比较理想的长远 解决方案。其主要特点是在接入网中去掉了有源设备，避免了电磁干扰和雷电影响，减少了 线路和外部设签的故障率，降低了相应的运维成本。其次，p o n 的业务透明性好，带宽宽， 可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持广播电视业务，其备三重业务功能 ( t r i p l e - - p l a y ) 。 从全局看，光纤到小区( f n ) 是中近期内一个比较经济的f ”r x 解决方案，也是獭前 的圭推方案；光纤到家( 嗍) 则是一个长远豹理想解决方案，当前主要适于新建商务区 和高档住宅小区；丽光纤到路边( f 1 r c ) 和光纤到公寓小楼( f 1 v r b ) 介于两者之间，是一 个经济性和前瞻性兼顾的中长期解决方案。f r r x 的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的 过程，即从f 们臌到f 翻您和册乃至最后到舯，当然这将是一个缀长盼过渡时期，这期 间，在新建地区直接采用f t l r c f t t b ，f r r p 都将是一种可行的具有前瞻性的解决方案i l 】。 嚣此，综上所述，随着国爰经济的持续、快速发展，通信纷业也将蓬着大力发震，光纤 通信无论是在骨干网上到城域网和接入网，从传统的电信运营商到各行各业、个部分专业传 输阏，都大飙模的并灌了光纤遥信网络建设，光波分复雳技术已经大大嚣提离了两络的传输 容量，与此同时，全光网络也将是光纤通信发展的方向。 光网络的发展与平面光波光路器件的发展是相辅相成的。一方面，光网络的发展受限于 平露光波光路的发展，另一方恧，光通信网络的发展对平面光波光路器件提出更新更高的要 求。为了满足通信网宽带化的要求，需要研制各种新的光纤，新的平面光波光路器件和新的 网络系统等。光器件在光纤透信系统中超着重要作翔，某些器件麴进步将带来光纤通信革会 性的变化。集成化和小型化是平顽光波光路器件发展的趋势。 1 1 2 平面光波光路芯片与光电子集成器件 w d m 光通信系统的高速发展促进了市场对各种光器传的需求，把不同功能的光子器件 通过内部平面光波光路( p l c ) 互连，制成了一个光予集成芯片( p i c s ，p h o t o ni n t e g r a t e d c i r c u i t s ) ，包括激光嚣与光孑接收器、放大器、调制器和光开关等。p i c s 具有密集、稳定秘 适合于大规模生产等优点，因而极大地满足了市场需求。 罾嚣毙子集成器件因要应用备种电光效应，也离不开宅的操作，因诧实雳的光子集艘芯 片必须配之相威的电子回路和成熟的微电子技术于终端处理，即大型的光电子集成系统。近 年来，光子集成( p l c ) 和壳鬯子集成( o e i c ) 豹迅速发展，又为全光通信的实现截造了一条更 现实的途径。例如，最近研制开发的光通信用p i c 发射机与接收机，即可用来建立一个简单 的准全光通信系统。 首先，平磁光波光路器件可分为两大类：有源光器件，如激光器、光检测器和光放大器 等。这些器件在光端机使用时，己做成为组件式集成芯片；光无源器件主要有光纤连接器、 渡分复雳缡i 复用器、必勰含器、毙衰减嚣、毙隔离器、滴制器、滤波器和毙牙关等，无源 器件对光学加工工艺要求很高，是大容缀光纤通信系统的关键器件，随着电光网络向全光网 络的发震，全光交换成药新一代全党丽的核心技术，光开关等无源器件的需求量不断增加i 鞋。 平面光波光路器件的大力发展有其自身的优点，简要介绍如下： 1 该技术可以比其他技术更高效、经济地制作成许多互联的光予器件，能够比在光纤 技术中更精确的控制临界尺寸。 2 由于以上原因( 精确控制尺寸) ，许多光器件只可以用此法而不可以用其他方法制作。 倒翔波导光掇路壶器( w g r s , w a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e r s ) 。 3 许多器件可以被制作在同个衬底上，而后再把它们分成独立的器件。同那种一次 2 第一章绪论 只能制作一个器件的技术相比，这就极大地减少了制作费用。 平面光波光路是光子集成技术的基础，将几个、几十个甚至成百上千个相同或者不同的 平面光波光路器件集成在同一个基片上，就形成了集成平面光波光路( p l c ，p l a n a rl i g h t w a v e c i r c u i t ) 芯片。它也综合了各个平面光波光路的性能，更加适用于现代通信中。 其次，光电子集成器件( o e i c ) e p 是利用光子技术与微电子技术将光子器件( 如l d 、l e d 、 p d 、光调制器、光栅及各种平面光波光路器件) 与微电子器件，主要是控制放大电路( 如各种 m o s 晶体管、h b t 、h e m t 晶体管等) 集成在同一衬底上，其中也包括s i 衬底。由于光子器 件与微电子器件工艺上相容性的限制，目前s i 基o e i c 主要用于实现低带宽，短距离的局域 网子系统和计算机互连网子系统中。其特点是成本低、可靠性高，已实现工作速率高达i g b p s 的o e i c 集成型接收机。s i g e p s i 异质结h b t 晶体管已经实现了1 6 0 g 的极高频振荡，s i 基o e i c 在高速率发送和接收集成芯片技术上将大有可为。 s i 基高速o e i c 光接收芯片的研究虽在近1 0 年才开展起来，但发展速度很快，在材料、 工艺和器件结构等都有所突破。按所用的材料和工艺，其可以分为s i 材料m o s i 艺、s o i ( s i o ni n s u l a t o r ) 材料m o s t 艺和s i g e s i 异质结构材料双极晶体管( h b t h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r t r a n s i s t o r ) i 艺o e i c l 2 1 。自1 9 8 5 年s i 基高速o e i c 光接收芯片报道以来，人们投入了大量的研 究力量来提高s i 基o e i c 光接收芯片的速度，包括器件工艺的改进、新器件结构的运用和新 型s i 基材料的应用等。s i 基高速o e i c 光接收机的研究之所以受到人们的关注和重视，除了它 在光接入网中有潜在的巨大需求外，还在于它在先进的光互连、光存储、空间通信和主动式 测距和引爆等领域有着广泛的应用前景，因此，光接收芯片将成为未来s i 基o e i c 的研究发 展主体。 平面光波光路器件和光子集成芯片的发展对光网络的发展起了极大的推动作用，光子集 成技术有两种状态：混合集成和单片集成( h y b r i da n dm o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n ) 。所谓单片集 成，以p i c 和o e i c 为典型例子，所有光电子器件电路，经晶体生长光刻刻蚀及成膜等工艺 而制成，一旦技术成熟便可批量生产，是很有前途的形式；这已经在硅微电子技术领域得到 很好的证实：混合集成是指不同的制作工艺制作一部分元件以后，装在半导体衬底或者光学 衬底上，它可以实现平面光波光路和有源器件的较为自由的结合，实现多种功能的集成。 光电集成芯片具有很大的市场潜力，据e l e c t r o n i c a s t 最新报告：全球o e i c 的消费市场将 从2 0 0 2 年的不到3 2 亿美元急增至u 2 0 0 6 年的1 9 4 亿美元，在2 0 0 3 年，混合o e i c 将达5 9 的最 大消费额，但单片o e i c 将快速增长。 1 2半导体平面光波光路( p l c ) 芯片 制作波导型光子器件的材料主要包括硅、铌酸锂( l i n i 0 3 ) 、i i i - v 族化合物半导体材料等。 硅基材料是应用最广泛的光电子材料，本节主要介绍i i i v 族化合物半导体材料和硅基材料的 平面光波光路器件的研究进展。 1 2 1i i i v 族半导体多量子阱型p l c 芯片研究进展 由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向( z 方向) 的附加周期势 分布中的势阱称为量子阱。量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂 直于阱壁方向( z 方向) 的自由度，只在平行于阱壁平面( x y 面) 内有两个自由度，故常 称此量子系统为二维电子气。 单个量子阱的调制效应很小，因此通常利用重垒多个量子阱m q w 平面光波光路，与 块状半导体中的富兰慈凯尔迪什效应相比其电场利用率高，获得相同消光比所需要的元件 3 东南大学硕士学位论文 长度更短，因此m q w 波导在光子器件的研制中获得了广泛应用。 同时也由于采用多量子阱材料结构可以极大的改善消光比和降低插入损耗，此外，量子 阱材料的一个重要特点是具有很强的室温激子吸收行为，室温激子的存在使超晶格量子阱材 料在带边附近的光学性质与体材料有很大的不同，特别是在垂直于量子阱壁的电场作用下， 光学性质会有很大的改变，从而导致相关光学参数的非线性效应。主要有二维激子的非线性 吸收及色散效应、电场作用下的量子限g j j s t a r k 效应等。室温下的多量子阱结构，在垂直于 阱壁的高达1 0 5 v e m 的电场作用下，电子和空穴向势阱两侧相反方向移动，但由于势垒的阻 挡作用，激子仍然不会离化，仍有明显的激子效应，吸收边仍保持较为陡直。在外电场作用 下，势阱变为非对称，能带发生倾斜，基态电子、空穴波函数产生极化，偏向势阱的两侧， 基态能级有所下降，这将导致激子吸收峰红移( 向长波方向移动) ，同时由于电子、空穴波函 数的交叠程度减小，激子吸收峰强度降低。这种现象称为量子限铝l j s t a r k 效应( q c s e ) 。 所以多量子阱材料结构正在被大量的用来设计光子器件，大部分半导体m q w 结构都是 基于i n g a a s i n a i a s 半导体材料，这种材料具有这种优良的q c s e 效应，一般在i n p 或g a a s 基 片上生长f i n g a a s以 i n g a a i a s 吨 d m q wl a y e rd 毫 巩 l n u 叠 “ j 。 d e i n a s d e 渐变，m 1 ， l o a a s 树底 图1 1i n c c a a s p l n a i a s 多量子阱脊形平面光波光路结构1 4 】 图1 1 为本节分析的i n g a a s p i n a i a s m q w 脊形平面光波光路结构示意图。m q w 层为1 0 对量子阱构成，根据文献【4 】中的分析，其中垒为1 1 3 0 3 6 a l o 6 4 a s ，厚度为1 0 r i m ，阱为i n o 3 s g a o 6 2 a s 厚度为9 5 r i m ，可以保证m q w 层在工作波长为1 1 3 1 a m 时具有良好的量子束缚s t a r k 效应。与 m q w 相邻的两层为i n o 3 6 g a o 3 2 a l o 3 2 a s ，厚度a 2 = 函+ 如= 0 2 9 m 。上包层为i n o 3 6 g a o 6 4 a s ，厚 度函= 0 4 p m ，下包层为i i k a l l a s ，均分为三层，z 分别等于0 1 5 ，0 2 8 和0 3 6 ，厚度哦= 0 7 2 雎r n ，各层在工作波长为1 3 t t m 时的折射率采用文献【5 】给出的数据，当然，这种m q w 层和上下缓冲层的总厚度只有1 1 u m 左右，使得波导中的光场尺寸很小，难以与光纤中的光 场相匹配，因此，眼下最紧急的事情就是找到一种方法能够尽量减少m q w p l c s 与光纤的 耦合损耗。 1 1 l v 族化合物半导体具有量好的光、电性能。可实现各种光电元件的单片集成，其最 大的优点是能把光和电两种器件较为完美的集成在一起。尽管这种材料制作平面光波光路现 在还不如用l i n i 0 3 材料成熟，但由于其具有良好的光电集成前景，因而越来越受到关注。 日本在这方面己处于领先地位，日本n t t 光子学实验室( n t tp h o t o n i c sl a b o r a t o r i e s )成功研 制出基于l n g a a i a s 1 a a i a s 的超高速量子阱定向耦合器平面光波光路集成芯片。 国内在以半导体量子阱材料制作光调制器的研究中，中国科学院半导体研究所在集总型 i n g a a s i n a l a s 电吸收调制器和清华大学在l n g a a s p 调制器与d f b 激光器集成方面均取得了 较好的成果。但是随着互联网业务量的迅猛增长，要求光调制器具有更高的带宽( 4 0 g h z 以 上) ，以提高系统的传输能力。为此人们提出了行波电极结构的调制器，由于电极被设计成 4 镕一 绪论 传输线不仅渊制带宽高而且可以用较k 的调制区k 应以增加调制教牢，阿而芷一种很有 敛的光调制器结构+ h 前田际上在这 面的研究i 作已经取得，报盘的进展，如f 幽所示， 即为常用的调制器示意h ，m z 调制器采用脊型波导结柯，脊高06 u r n 。如嘲所示，干涉臂的 波导宽度为3 u r n 为，减小未耗尽载流子带来的损耗，采用台面结构，腐蚀掉不必要的外延 层台面高35 u r n ，儿在刻蚀区代之以绝缘体仃波电极覆盖在脊波导和绝缘体上，电极结 构如图1 2 所示ii ，1 b 极e 微被与光波的互作用bk 厦为i m m 。 目l - 2 # i t m 目制g 结构j 、意目日i 此外，南f 多量r 阱材料日益被人们研究，川多蜒子阱材料制作器f l 的i 艺水平也越来 越成熟，各种无源器什艘j l 泛制作并麻川下现代光通信中，平面光波光路开咒随着f 面光波 光路和光集成技术的进步衍生山不同的炎型，按照光开关结构单元、光开关采用的材料及光 的调制机理二个小问的角度u r 以对光扦芙进行划分，由此也可以看出波导开芙的发展历样 目前，用多量子阱村料制作的光开荚主要有m a c h z e h n d e r 结构的光开关、多模十涉犁光开关 和数字光开关如下蚓i 3 9 i 示，四个m m i 掣的耦台器和电吸收峒制器构成了2 x 2 结杜j 的光开 戈其- p5 0 0 u r n 场s o a 做镶嵌在其中器忭总k 度为32 r a m 其中的诵制器k 度为5 0 0 u m ， 这种结恂的光开笑在性能方画得到，根人的改善。娄似于这种把儿个无源器什j 生接在一起构 成个凡有更优化性能的无源器件已经得圭ur 快迷的发展，更是无源器什投展的方向。 图1 4 多量了阱光* * 结构1 意图“i 东南人学硕士学位论文 1 2 2 硅基p l c 芯片研究进展 s o i f l p 是指绝缘层上的硅，它是一种具有独特的“s 礁色缘层s i ”三层结构的新型硅基半导 体材料。2 0 0 6 年随着6 5 维米工艺熬成熟，英特尔公司稻纳米生产线步入大批量生产除段。除 英特尔外，美国德州仪器、韩国三星、日本东芝等世界上重要的半导体厂商的6 5 纳米生产线 也纷纷投产，4 5 纳米处在研发阶段，如英特尔己有两座1 2 英寸厂开始试产；估计n 2 0 1 0 年进 入爨产。集成电路发展剔嚣前极大援摸的纳米技术时代，要迸一步提高芯砖的集成度和运纾 速度，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在迸一步减小集成电路的特征尺寸方 面遇到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前在材料方面重点推动的绝 缘体上豹硅( s o l ，s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 等，被盐雾公认梵纳米技术时代取代现有葶晶穗材料静 解决方案之一，维持m o o r e 定律走势的一犬利器i 6 ，n 。 绝缘体上的硅( s o l ，s i l i c o n 0 1 1 i n s u l a t o r ) 指的是绝缘层上的硅，在当今的光电予工业， 其独特酶优点傻被广泛的应矮予备行各业中，它通过绝缘埋层( 遥常为s i 0 2 ) 实现了器 孛纛季| 底的全介质隔离，在器件性能上具有以下优点： 1 减小了寄生电容，提高丁运行速度。与体硅材料相比，s o l 器件的运行速度提高了 2 0 - 3 5 ；具有更低的功耗，由于减小了寄生电容，降低了漏电，s 0 | 器辞功耗可藏小3 5 7 0 0 , 6 。 2 消除了闩锁效应，抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误的发生；与现有硅工 艺兼容，可减少1 3 2 0 的工序。 3 针对予通信波波长1 5 5 0 n r a 稻1 3 1 0 h m ，具有缀祗的吸收损耗，圈潜由予c m o s 工艺静 成熟和c m o s 集成电路被不断广泛的应用，备种高质擞的s o l 材料可以被获得，它提供了一 个s i 平台上单片集成光和电的功能，以一个离的价格和一个高的产品率，为下一代光网络提 供了更广溺的发展空间。 s o l 材料是s o l 技术发展的基础，s o l 技术的发展有赖于s o l 材料的不断进步。缺乏低成 本、高质量的s o l 材料一直是制约s o l 技术进入大规模工业生产的首要因素。 s i 0 2 圈1 - 4s o l 矩形截面脊形波导【9 】 s i 0 2 = ： _ l l = 3 s 圈1 5s o l 梯形截面脊形波导【9 1 “3 # 1 5 图l - 4 和图1 - 5 分别为s o l 矩形截面脊形波导和s o l 梯形截丽脊形波导的截面阁，为了 精确的设计s o l 波导器件，有必要确定准确的单模条件。我们采用非均匀数值离散格式，用 沿旋轴传播的半矢量柬传播方法$ p m ) 方法结合毫效率的计算过程对脊形波导单模纛多模 6 * t 坫畦 特性。随着s o l 材料制桥技术的成熟，制约s o l 技术发展的材料问题_ 逐步被解次。s o l 材料的制器技术归懈结戚包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术( s p e m t i o nb y o x y g e ni m p la 【l t a t i o n ，即s i m o x ) t f i i 键台( b o n d ) 技术”。 辞基沉j = ! 氧化砗半曲光波光路是2 0 1 f f 纪9 0 年代发展起米的新技术，随着s o 材料制备 技术的成熟rs o l f f ”甲而光波光路也不断的破再种技术制作山米国外在这方面的技术已经 比较成熟r 其制造j 艺土耍订火焰水斛法( f h d ) 、化学气相淀积法( c v d ) 、等离f 增强c v d 法- 反应离f 蚀刻拄术r i e 多孔石f 氧化法自l 熔胶凝胶法( g o g e l ) ，该波导的损耗 相对较小，返都是不断健进s o l 型平面光波光路器件萱乏商刚的巨人动力。 在当今集成电路l 场对低压、低功耗电路的需求曰氚增加，s o l l 术作为适应这一婴 求的蛀有希单的技术，近年柬有了蚝足的发展，雁时s o l 材料的制籍打法也随之得到不断萤 艟，止是由丁以上的s o l 材料的特点币j 其最新的发展概况。这种材料被j 泛的制作成各种p l c ，占片，应于光通信系统巾因此，用s o l 材料制成的s o i - ( ：m o s 能有效降低衬底对器件i ， 作区的影响，从根水上消除件硅屯路中的寄生闩锁效应，同时使芯片且有高速、低功耗、抗 辐j ! i 能力高、耐高温、软议筹小等性能明显优丁常规的体硅电路。粒丁以上优点使s o l 技 术在深亚微米v l s i 中有极t = 的席用前景，被国坼i 讼认为“2 】i h 纪的砟集成电路技术” 如r 幽所示，郎为促进s o l 材料被广泛应川的蛀常h j 的c m o s 结构幽。 r! 兰三 、 圈1 - 6s o ic m o s 镕构“意图 应变硅是一种能够提高载流子迁移率和增强器1 1 | = 性能的新技术。相跗丁采片 别的高迁移 事r 导体材誊 如i - v 旌化音物、r 导体在引中引入麻坐l j _ c m o s 器件制造【。艺的影响更小 而这项技术成为人们的首进。 因此，s o l 材料在现代丁业中或者足高校的实验室里，部被广泛的制作成并种器件，m 且制作j 二艺比较成熟如f 图所示，h i l 为最常用的s o l 犁的2 x 2 m m i 耦台器的结构示意幽。 目l - 7s o l2r 2 m m i 型# 台* 镕蜘i 意图 s o l 材料的多层结构使其在众多方面表现出比体硅材料史优异的性能f 日是该材料的制 备以及表征却是我们面f 的新的挑战。由于存在薄i # 层、薄埋氧层、s i s i 0 2 界面等多层结构- 东南火学硕士学位论文 导致一些在体硅中非常有效的表征手段应用于s o i 材料时需要改进或不能适用。2 0 0 5 年i t r s 中谈到：“不断减小的特征尺寸，更精确控制电学性能的要求，如阈值电压及漏电流，和一 些新的互连技术如3 d 互连等都会对器件的表征手段提出新的要求，首先形貌表征应该达到 原子级，另外一些基于光学原理的表征手段应用n s o l 材料时也会碰到新的挑战”。因此， 硅基的平面光波光路器件在未来具有很大的市场应用潜力。 p l c 集成芯片在光通信中的应用越来越广泛p l 。光信号的耦合作为光分路器等光无源器 件的重要组成部分和光纤通信系统中的关键技术，其性能的好坏决定了光无源器件插入损耗 的大小、耦合封装的尺寸等性能，也是光通信节点性能和网络性能好坏的关键。光信号耦合 技术的地位变得越来越重要。 1 3 透镜光纤在平面光波光路( p l c ) 芯片耦合封装中的应用 光信号的耦合包括光纤之间、光纤与平面光波光路之间、光纤与光源之间的耦合，其中 光纤与平面光波光路之间的耦合即是指光纤至i j p l c 芯片的耦合，光通信器件中任何p l c 集成 芯片的使用都离不开这种耦合技术，在p l c 集成芯片中，入纤和出纤目前用的大多是单模光 纤，因此，这种单模光纤与p l c 芯片之间的耦合便成了商用p l c 芯片的关键技术。 光通信中光信号的耦合与电信号的连接具有很大的差异。对电信号来说，只要把放大器 的输出端与传输线连接起来，电信号就被送入线路中。而对光通信来说，一方面光纤质地脆、 机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合都比较麻烦；另一方面光耦合时光 照射在光纤端面上，一部分光是不能进入光纤的，如其中的一部分从光纤端面反射掉了，而 能进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传播，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发 生全反射而传到远方。因此，光通信中光信号的耦合情况是非常复杂的【旧j 。单模光纤与p l c 芯片的耦合中主要存在以下几类损耗： 1 光纤与波导的模场不匹配而引起的耦合损耗 2 光纤与波导之间的失调准而引起的失调损耗 3 由折射率差异引起的端面菲涅尔反射损耗 从以上存在的三个问题进行分析，我们可以通过精准的六维调节架来进行调节，尽量的 减小失调损耗，甚至可以减小到零，端面菲涅尔反射损耗可以通过镀抗反射膜或折射率匹配 液的方法得以改善，因此光纤与波导的模场不匹配而引起的耦合损耗即是着重要解决的关键 问题。 由耦合模理论可知：两波导间的耦合效率可由卜l 式表示，其中e 1 和e 2 分别表示耦合波 导的模场，霸姐j ，分别表示传输方向的横向空间分布，由1 1 式可以看出耦合效率和传输波导 各自的模场分布有关。传输模场在单模单模光纤与p l c 芯片耦合时即为单模光纤或者p l c 芯 片的模斑，当单模光纤与p l c 芯片的模斑差异越小，耦合效率即越高，这样也就提高了耦合 效率；同理，如果两个相耦合的波导的模斑差异很大，也必将导致耦合效率的下降，产生更 大的插入损耗。 7 7 = 为了增大耦合效率，通过改变耦合波导几何结构来改变模场分布，目前最常用的即有 以下几种，直接耦合、依靠改变或增加器件波导结构耦合、通过透镜耦合、使用透镜光纤 8 鼐帝绪硷 耦合、利自聚焦透镜耦台和n 聚壤造镜耦台以及模斑转换器等( s s c ) 1 1 b i l 6 1 。 如f hi 一8 所示：一维s s c 对丁模场的限制作心有限，只能在个维j 立内对模艇 i 转 换作用：三维s s c 对模斑宵更好的转换耦台教牢一般较高，但是制作二维s s ce 艺复 杂，不同的芯“需要小吲的s s c 每制作个s s c 的_ ：【= 艺复杂样度雨】制作个p l c 芯片 相当，啪此也不适卉丁大埘模的制作商川。 彩f 雹 a )( b 剖l - 8 模斑转换器q ，意图 a ) 一维s s c ( b ) 三维s s c 目前最常川的耦台方式印足利h j 透镜光纤进行耦含，如将端面加工成球而、锥面或者 在光纤端而制作成个微透镜都以提高单模光纤与平面光波光路的耦台技率透镜光纤 的端面士要哲脚形和楔形，返两种透镜光纤部能有效的减小单模光纤的小射场的尺寸，从 州增人r 耦台效率目前最常用的即为楔形透镜光纤承雌形透镜光纤，将 第j 章详细介 绑这两种常用的透镜光纤，透镜光纤是一个比较笼统的概率，并无统一的说法，一1 认为 凡是直接在光纤端丽加l 制作成某种统一的类似丁透镜形状的而选到光路变换或模式转换 作用的光纤端面都叫做透镜光纤，不同的耦台对象婪求币同的光纤透镜形状光纤透镜的 形状一般有锥形、楔形、斜面、球面和斜球面等等。迁镜光纤是用米增大耦台效率、减小 插入损耗zj 机在光通信领域，耦台有光纤和光纤之间的耦台、光纤干u 光源之间的耦台咀 及光纤与芯之问的耦台，其中，光纤与芯片之州的耦台是最难解决的问题，州此，我们 提出的透镜光纤也将主要麻并j 于光纤j 芯片之间的耦合它的作崩主耍在丁减小光纤的出 射模场，使其自利于进入p l c 芯片中，从而减小了插入损耗，改进了芯片的性能。 在实际的应埘过程中，主耍分为在l d 与光纤之间的耦合应用与光纤与p 面光波光路芯 片( p l c ) 之间的耦台应用，在l d 与光纤的耦合麻川中为了能使l d 拄出的j 匕能充分进入 光纤中通常采用扩束透镜光纤等等，通过扩火模场直径( m f d ) 的方法来扩 接受面积。这 主要采取、加热扩芯光纤( t e c f ) 与熔接透镜光纤( g i f ) 叮以使得光纤的模场变为n 1 2 9 u m 和1 27 1 7 u r n l l 9 】当然还有d o w n t a p e r 圭1 2 ，u p t j p e r 法1 2 “、熔接法1 2 2 , 2 3 铆加热扩敞法m 搿i ， 在光纤与平面光波光路芯片( p l c ) 之间的耦合应用中，根据其端面来分类有倒形和楔形 两种，圆形透镜光纤就是土要以锥形透镜光纤( t l f ) 为代表，当j = ；还包括无芯、n 球端面光 纤咀及各种球面光纤等等；楔形透镜光纤差要是指楔形单模光纤( w s f ) 。在实际的制作中， 主要有抛光研磨法、腐蚀法和熔融拉锥法如f 幽1 9 ( a ) 和( b ) 和幽l - l o 所示： ：j = 目i - 9 * 纤水平放置俯视圈 a 件n 楔形光纤垂直放置帕祝目( b 蚓ii ”* w t 镜也2 1 什对樱口透镜光纤、锥形遗镜光纤与p l c ，基片的耦台，论文【1 6 】和论文【17 】爿j 分* 0 进 行过分折，锥形光纤的射场山嘲骈，而樱形光纤的山射场为懈平的光斑f f i r 彩埘r | i 的p l c ，匕计的，出层为1x 3 u m 。的扁平靠构扁平的c 尉更有利丁进入多最r 阱的p l c 芯片 十，所以楔肜透镜光纤相对于锥形透镜光纤与p l c 出片逆 r 杷含+ j 育更人的耦被牢， 奉史 - 监讨沦的也将足楔形透镜光纤的出射场以投楔膨透镜光纤与p l c 一出的耦台。 门聚焦进镜和曹通的平端血的雌模光纤连接托起，利，“门聚焦的特性。以使得光线 能够很好的“浆，也能够得i 0 高敬耦台的目的- 咀根据干屈的麻川场合制- 不刖的r _ 聚i i 透镜，而也t 有 r 直的廊川l j i 景，在赏际的i 业中透镜光纤应川j ：光纤陋卿中川 ：分路器等器件的八纤懂得信，能够生人做丰的进入 ，路器，如捌1 - i1 所，r 目1 i l8 培十透镜光纤的l t 接m 0 c = 令 这种光纤阵列被广泛的麻h j 丁无源光州络中m ，这种p l c 篓成芯越水越受人们 的戈注和研究，这种阵列的对接耦台上要关tj 两个问题一是再十墟道的铀八损耗尽可能 的小另卟就是再个通逆之间的差值尽可能的小，队此，如果川f 动操作，教率低h 重复性矗，所以自动调矗系统技术就是一种最完美的解班方寨”7 “。 综，j 所晚，光纤与p l c 芯片的础台是一个很棱d 的岍究谍题，针对已经挺；的耦台中 存徉的州题我们可咀通过一些方法壕人限度的解挑，例如透镜光纤、微透镜组刊改变器 件波导f 断的社计等等与然i ： l 而分忻i r 知墙镜光纤是最理想的选择，但是些其 他的耐- 外的耦台损耗我们却很难颅料和解斑例如i n p 肇底的p l c 芯h0 单模光纤进 i 第一章绪论 耦合时，l n p 基底的这种材料存在的8 - 9 d b