（微电子学与固体电子学专业论文）载流子色散型硅基光波导器件研究.pdf

摘要 光通信技术的高速发展对光电子器件的要求越来越高，半导体光电子集成技 术是实现高性能、低成本的光电子器件的有效途径目前光电子器件所采用的材 料主要是v 族材料及宽带隙i v 族氮化物如a 1 n 、g a n 和i n n 等这些材料 与广泛使用的硅技术无法兼容且制作成本很高，因而限制了它们的应用领域硅 基光子学( s i l i c o np h o t o n i c s ) 将硅技术及光电子集成技术相结合，使硅技术的应 用从微电子领域扩展到光电子领域这是值得深入研究的课题。 硅材料虽然由于其结构上的对称性，不具备一阶电光效应( p o c k l e s 效应) ， 但是可以通过载流子色散效应对其进行电光调制，且可以获得良好的调制效果。 s o i 材料的大折射率差的特性可以大大缩小器件的尺寸而微电子制作工艺经过 几十年的发展，最小线宽可以做到只有三四十纳米，能够很好的应用于硅基光子 器件的制作本论文对载流子色散效应型硅基光波导器件进行理论及实验上的研 究，目的是探索利用c m o s 工艺制作载流子色散型硅基光波导器件的可行性 本论文的主要创新和贡献在于： ( 1 ) 结合s o l 材料结构、p n 电学结构和商业的c m o s 工艺线的要求，设 计了研制硅基光波导器件的可行工艺流程，并成功制作了基于载流子色散效应的 硅基光波导器件在国内，我们最先尝试采用商业的c m o s 工艺线方式来制作 载流子色散型硅基光波导器件 ( 2 ) 在理论和实验上分析了基于载流子色散效应的马赫曾德尔干涉仪 ( m a t h z e h n d e r - i n t e r f e r o m e t e r , m z i ) 型硅基光波导器件的特性详细分析了p m 结的重掺杂区位置对器件的吸收损耗、散热、消光比、速度等的影响为消除自 由载流子吸收对器件的影响，分析了一种动态调整分束比以提高器件消光比的方 法，理论上可以将消光比提高到4 5d b 以上 ( 3 ) 对硅光波导中1 5 5 0n m 波段的光电流效应进行了实验研究利用p n 硅波导中存在较宽的雪崩加速区域，观测到明显的雪崩放大电流，实验得到了接 近于5 的倍增因子根据反偏朋结硅波导的光场与耗尽区的交迭特性和强电场 作用下的隧穿效应，解释了在1 5 5 0n m 波段朋结硅波导中光电流的增强，讨论 了光生载流子对基于p n - m z i 结构的硅光调制器的影响和消除方法 关键词集成光学、硅基光子学、载流子色散效应、p i n 结、c m o s 工艺、光电流 效应 a b s t r a c t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na d v a n c e ss of a s tt h a th i g h e ra n dh i g h e rp e r f o r m a n c e o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa led e m a n d e d h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s to p t o e l e c t r o n i c d e v i c e sc a l lb ee f f e c t i v e l y i m p l e m e n t e db yu t i l i z i n gs e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t i o n t e c h n o l o g yt h ep r i m a r yo p t o e l e c t r o n i cm a t e r i a l si n c l u d ei i i - vc o m p o u n d sa n dw i d e b a n dg a pi i i vn i t r i d es u c ha sa i n ，g a na n di n n h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o na r e a so f t h e s em a t e r i a l sa lel i m i t e dd u et ot h e i ri n c o m p a t i b i l i t yw i t hs i l i c o nm a t e r i a la n dh i g h f a b r i c a t i o nc o s t s s i l i c o np h o t o n i c s , w h i c hc o m b i n e st h es i l i c o nt e c h n o l o g yw i t ht h e i n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm a k e st h es i l i c o nt e c h n o l o g yb ea p p l i e d f r o mm i c r o e l e c t r o n i c st oo p t o e l e c t r o n i c s ，i sw o r t h yo fi n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n i ti sw e l lk n o w nt h a ts i l i c o ne x h i b i t sn ol i n e a re l e c t r o - o p t i c ( p o c k e l s ) e f f e c tb e c a u s e o fi t sc e n t r o s y m m e t r i cc r y s t a ls t r u c t u r e h o w e v e r , e f f i c i e n te l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n c a r lb ea c h i e v e db ye m p l o y i n gf r e ec a r r i e rd i s p e r s i o n ( f c d ) e f f e c t a d d i t i o n n a l l y , d e v i c es i z ec a ng r e a t l ys h r i n kd u et ot h el a r g ed i f f e r e n c eo fr e f r a c t i v ei n d e xi n s i l i c o n o n i n s u l a t o r ( s o i ) m i n i m u ml i n ew i d t ho f3 0o r4 0n mc a nb ef a b r i c a t e db y t h em i c r o e l e c t r o n i cp r o c e s s ，w h i c hh a sa d v a n c e df o rd e c a d e sa n dc a l lb ew e l la p p l i e d t ot h ef a b r i c a t i o no fs i l i c o np h o t o n i cd e v i c e s i nt h i st h e s i s ，s i l i c o no p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c eb a s e do nt h ef c de f f e c ti st h e o r e t i c l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d ，t o e x p l o r et h ef e a s i b i l i t yo ff a b r i c a t i n gt h i sk i n do fd e v i c eb yu t i l i z i n gt h ec m o s p r o c e s s t h i st h e s i sm a k e si n n o v a t i v ew o r k sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fs o im a t e r i a l ，t h ee l e c t r i cs t r u c t u r eo ft h ep i nd i o d ea n dt h e r e q u i r e m e n t so ft h ec m o sp r o c e s sa r ec o n s i d e r e dt o g e t h e rt od e s i g nf e a s i b l ep r o c e s s f l o w s b yu s i n gt h e s ep r o c e s sf l o w s , s i l i c o no p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sb a s e do nt h e f c de f f e c tw e 陀s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d i nc h i n a , w ea l et h ef i r s tg r o u pt of a b r i c a t e t h i sk i n do fd e v i c eb ye m p l o y i n gac o m m e r c i a lc m o sp r o c e s s ( 2 ) p n m z i b a s e ds i f i c o n o p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s a r e t h e o r e t i c l ya n d e x p e r i m e n t a l l ya n a l y z e d a n a l y s i s s h o w st h a tt h e h e a v i l yd o p i n gp o s i t i o nc a n i n f l u e n c ea b s o r p t i o nl o s s , h e a td i s s i p a t i o n ，e x t i n c t i o nr a t i o ( e r a n ds p e e do ft h e v d e v i c e m o r e o v e r , am e t h o dt oi m p r o v et h ee ri sa n a l y z e db ya d j u s t i n gd y n a m i c a l l y t h es p l i a i n gc o e f f i c i e n t b ye m p l o y i n gt h i sm e t h o d ，t h ee rc a nb ei m p r o v e dt om o r e t h a n4 5d bi nt h e o r y ( 3 ) t h ep h o t o c u r r e n te f f e c t i ns i l i c o nw a v e g u i d e sa t15 5 0n mw a v e l e n g t hi s e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d o b v i o u sa v a l a n c h ep h o t o c u r r e n td u et ot h ew i d e a v a l a n c h ei m p a c t i n gr e g i o ni nt h ep i nd i o d ei sm e a s u r e d ，w i t hm u l t i p l i c a t i o nf a c t o ro f a b o u t5 o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee n h a n c e m e n to ft h ep h o t o c u r r e n ti nt h ep ns i l i c o n w a v e g u i d ei sm a i n l ya t t r i b u t e dt o ( i ) t h eo v e r l a pb e t w e e nt h eo p t i c a lf i e l da n dt h e d e p l e t i o nl a y e ra n d ( i i ) t h es t r o n ge l e c t r i cf i e l di n d u c e dt u n n e l l i n ge f f e c t f i n a l l y , t h e i n f l u e n c eo ft h ep h o t o c a r r i e r st oa p n m z is i l i c o no p t i c a lm o d u l a t o ra n dm e t h o d st o a l l e v i a t et h i si n f l u e n c ea r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d si n t e g r a t e do p t i c s ，s i l i c o np h o t o n i c s ，f l e ec a r r i e rd i s p e r s i o ne f f e c t , p i nd i o d e ， c m o s p r o c e s s ，p h o t o c u r r e n te f f e c t 致谢 2 0 0 5 年到浙大玉泉校区玩的时候，信电系楼五楼的走廊里展出的研究成果 深深的吸引了我，又点燃了我心中对集成光学一直以来的向往之情。2 0 0 7 年9 月我如愿以偿的进入集成光电子实验室继续深造。在这个温暖的集体里度过了将 近四年的时间，到了快要离开的时候，有太多的感谢要说。 感谢实验室的各位老师，为我的学业付出了精心的指导和关心论文的完成 是在江晓清教授的悉心指导下进行的江老师理论功底扎实、思维活跃，总能提 出一些新的见解和思路，让我能够时常得到很大的启发。而我因自己的笨拙，没 能很好的跟随江老师的步伐做出更漂亮的成绩以后不管走到何处，还希望得到 江老师的指导感谢年高德劭的王明华教授王老师治学严谨缜密，宽以待人， 为我等从事学术研究做出了很好的表率。感谢杨建义教授在研究工作中的帮助和 指导杨老师思维开阔，果断干脆，雷厉风行耳濡目染他的这些品质，将使我 终身受益。感谢知识渊博的周强副教授，每次跟周老师讨论问题总是受益匪浅 谢谢李锡华副教授、郝寅雷副教授、李宇波老师、张国荣老师、朱月莲师傅多年 来的照顾和指导 感谢杭州士兰集成电路有限公司的闻永祥经理及其他工程师在器件制作上 的鼎力相助；感谢中芯国际集成电路有限公司的蒲贤勇经理及其他人员在项目合 作上的大力支持；感谢中科院半导体所李智勇博士在专业上的指点迷津。 感谢实验室里一起度过求学生涯的各位兄弟姐妹们：余辉、周海峰、戚伟、 王帆、肖司淼，祁彪、郑伟伟、毛晓丹、刘仕景、陈献、王嘉明、蒋峰、葛陆泉， 魏玉欣、李陈刚、赵佳特、贾文建、王皖君、陈伟伟、王翔、邱晨、陈瑞宜、涂 国辉、白刃、向微、李国熠、姜国敏、谷金辉、江舒杭、王欢、喻平、徐超、杨 冰、郭伟峰、郑斌、彭志鑫、董少杰、唐树明、张鹏、尚熠、胡挺、邱晖晔、邵 海峰，沈奥、鲁虹伟、骆康城、潘宏彬、裴重阳、檀亚松、张滨、张文、周建雄、 王国强等与大家一同成长，幸运而难忘希望以后还有机会跟大家再聚求是园， 踢球、爬老和山、南门腐败。 感谢同寝室的兄弟们：程维维、张亚涛、黄经州，对我在生活，学习上的关 心和帮助 感谢长春理工大学的田景全教授、中科院微电子所的叶甜春研究员到长春 理工求学和到微电子所联合培养，是我人生中的一个重要转折点，我的人生从此 变得更加的丰富多彩 感谢哈尔滨工业大学的刘朝辉、韦涛、雷辉、李鹏、王涵、张海涛、王燕、 李密、王新、刘长成以及其他同学一直以来对我的关心和照顾 感谢长春理工大学的桑卫兵、刘永泽、尹良、王兴权、张华，曹轲、孙海龙。 李光耀及其他同学对我的鼓励和支持 感谢中科院微电子所杭州分部的老师、同学、同事，一起奋斗的三年此生难 忘 感谢我的家人对我再次回学校深造的支持和理解感谢舅舅、舅妈一直以来 对我求学生涯的大力支持感谢所有关心、爱护我的亲朋好友 最后，感谢参加论文评审和答辩的各位专家! 图目录 图1 1 光通信网络结构示意图2 图1 2 硅无j ! 豪光器件：( a ) 分束器1 2 7 1 , ( b ) 波导阵列光栅a w g l 2 研；( c ) 级联的微环1 2 9 1 , ( d ) 耦合光栅1 3 0 l 4 图1 3 基于硅光子线波导的1 n 热光开关1 3 4 1 ：( a ) 1 x l 光开关；c o ) i x 2 光开关；( c ) i x 4 光开关5 图1 4 近几年硅基光电子学的发展情况6 图1 5i n t e l 研制的5 0g b p s 硅光子互连原型一6 图1 6 单元器件阵列化”8 图2 1 刀随载流子浓度变化的变化情况”2 l 图2 2a 口随载流子浓度变化的变化情况2 1 图2 3 厶及产生丌相位变化的吸收损耗随载流予浓度变化的变化情况2 2 图2 4p i n 结结构示意图”2 3 图2 5b m f e t 结构示意图2 4 图2 6m o s 结构示意图2 5 图2 7p 门结结构示意图2 6 图2 8 设计的p i n 电学结构：( a ) 顶层硅厚li j m ；( b ) 顶层硅厚3 4 0n m 2 6 图2 9 仿真模型2 7 图2 1 0 基于p i n 结的光波导器件的光场分布2 8 图2 i l 偏置电压0 9 5v 时，p i n 结中的( a ) 电子浓度分布及( b ) 空穴浓度分布一2 8 图2 1 2 电流电压特性曲线2 8 图2 1 3 有效折射率随注入电流的变化情况2 9 图2 1 4 长度为1 5 0 0 岬的器件的相移随注入电流的变化情况一2 9 图2 1 5 不同掺杂浓度下的( a ) 电流电压特性；( b ) 折射率随电压的变化情况；( c ) 折射率随电流 变化的情况3 0 图2 1 6 不同掺杂深度下的( a ) 电流电压特性；( b ) 折射率随电压的变化情况；( c ) 折射率随电流 变化的情况3 l 图2 1 7 不同掺杂位置下的( a ) 电流电压特性；( b ) 折射率随电压的变化情况；( c ) 折射率随电流 变化的情况3 2 图2 1 8 基于图2 8 ( b ) 所示的p i n 结的光波导器件的光场分布3 2 图2 1 9 偏置电压0 9v 时，p i n 结中的电子浓度分布一3 3 图2 2 0 偏置电压0 9 v 时，p 拥结中的空穴浓度分布“3 3 图3 1 三层介质平板波导中的各种导模3 8 图3 2m m i 器件中一个自映像成像例子3 9 图3 - 3m m i 的光束传输法( b p m ) 光场分布图：( a ) t e 模：c o ) t m 模3 9 图3 4m z i 结构原理图i l j 4 0 图3 5m z i 的干涉输出与两干涉臂相位差的关系4 l 图3 6 基于$ 0 1 材料的光栅耦合器4 2 图3 7 光栅耦合系统示意图i 了l j 4 2 图3 8m m i 器件在不同宽度下扫描长度的仿真结果：( a ) lx 2m m i ；c o ) 2 x 2m m i 4 3 图3 9 设计的1 x 2m m i 及2 x 2m m i ：( a ) l x 2m m i ，1 2 岬x 1 4 6 6 岬；c o ) 2 x 2m m i ，1 8g m x 2 1 9 w n 4 4 i 图3 1 0 代表性器件设计图：( a ) 调制器；( b ) 1x 2 光开关4 4 图3 1 1 光栅耦合器f d t d 仿真情况：( a ) 周期5 2 0n r n ；( b ) 周期6 2 0r i m ；( c ) 周期7 2 0n m 4 5 图3 1 2 刻蚀后剩余厚度跟光栅衍射向上的功率的关系4 6 图3 1 3 设计的光栅耦合器4 6 图3 1 4 基于士兰集成的工艺线的版图4 7 图3 1 5 基于中芯国际的工艺线的版图一4 7 图3 1 6 工艺流程：( a 避片准备；( b ) 脊波导刻蚀；( c ) 热氧；( d ) 形成n + 区；( e ) 形成p + 区；( f ) 淀积二 氧化硅；( g ) 形成通孔；( 1 1 ) 金属化；( i ) 形成电极4 8 图3 1 7 士兰集成的工艺线制作的结果：( a ) 制作完成后的晶片；o a ) s e m 结果5 0 图3 1 8 中芯国际的工艺线制作的结果：( a ) 制作完成后的晶片；( b ) 调制器的显微镜照片；( c ) 光 栅耦合器的显微镜照片：( d ) s e m 结果一5 1 图3 19 磨片机5 2 图3 2 0 基于端面耦合的测试系统5 2 图3 2 l 基于光栅耦合的测试系统5 3 图3 2 2 p i n 结的v - i 特性：( a ) 基于士兰集成的工艺线；( b ) 基于中芯国际的工艺线“5 3 图3 2 3 士兰集成的工艺线制作的调制器的静态特性曲线测试结果5 4 图3 2 4 士兰集成的工艺线制作的1 2 光开关的静态特性曲线测试结果5 4 图3 2 5 士兰集成的工艺线制作的光开关的速度测试结果5 5 图3 2 6 中芯国际的工艺线制作的调制器的静态特性曲线测试结果一5 5 图3 2 7 中芯国际的工艺线制作的调制器的速度测试结果5 5 图4 1 硅基p i n - m z i 调制器的静态传输特性测试结果( 基于中芯国际工艺) 6 1 图4 2 光强不匹配因子，与注入载流子a n 的关系6 3 图4 3m 面随注入载流子的变化情况，实线未考虑载流子吸收，虚线考虑了载流子吸收 6 4 图4 4 消光比e r 跟光强不匹配因子，的关系6 5 图4 5 注入载流子浓度a n 跟光强不匹配因子，及消光比e r 的关系一6 5 图4 6 基于p m - m z i 结构的硅光子器件的静态特性测试结果：( a ) 调制器( 基于中芯国际工艺) ； ( b ) l x 2 光开关( 基于士兰集成工艺) ；( c ) 2 x 2 光开关( 基于士兰集成工艺) 6 7 图4 7 动态调整分束比以减少载流子吸收对消光比的影响6 8 图4 8 不同分光系数下的静态传输曲线“6 9 图4 9 消光比跟分光系数的关系”6 9 图4 1 0 归一化输出光强跟重掺杂区到脊波导的距离的关系7 0 图4 1 l 电学与热学分析采用的p n 结构7 l 图4 1 2 不同注入电流下的由载流子色散效应和热光效应引起的等效折射率变化7 2 图4 1 3 电极位置( 掺杂区位置) 与器件温升的关系，此时注入电流1 3 3m a 7 2 图4 1 4 不同掺杂位置下的器件传输特性曲线测试结果7 3 图4 1 5 上升时间数值仿真结果7 6 图4 1 6 下降时间数值仿真结果7 6 图4 1 7 a t l a s 瞬态仿真结果“7 7 图4 1 8 重掺杂区位置不同的墨件的速度测试结果7 7 图5 1 硅的能带结构8 3 图5 2 单晶硅的吸收谱“ x 田5 3 硅二氯化硅界面的表面态密度及光跃迁”8 5 图5 4 氘核辐射的硅材料的吸收光谱8 6 图5 5 双光子吸收原理8 7 图5 6 波长范围8 5 0 2 2 0 0 砌的硅间接带隙双光予吸收系数8 7 图5 7 双光子吸收产生的光电流与输入光强的关系8 8 图5 8p i n 硅波导结构原理图8 8 图5 9 实验原理图及实物图8 9 图5 1 0 不同d 值情况下光电流与反偏电压的关系8 9 图5 1 l 不同值情况下光电流与反偏电压的关系9 0 图5 1 2 光电流随输入光功率变化的情况插图为不同电压下光电流响应度随输入光功率变 化的情况”9 l 图5 1 3p n 硅波导结构原理图9 1 图5 1 4 长度l = 4 5 0 0 岬的器件的i v 特性及响应度输入光波长为1 5 5 0 砌，光强约为0 7 5 m w 9 2 图5 1 5 电场作用下，硅p 门结的能带图9 3 图5 1 6 耗尽区宽度及归一化隧穿几宰与反偏电压的关系一9 3 图5 1 7 不同长度时光电流跟反偏电压的关系插图：单位长度( 咖) 的光电流跟反偏电压的关 系输入光波长为1 5 5 0n m ，光强约为0 7 5m w 9 4 图5 1 8 不同电压下光电流随输入光功率变化的情况插图为不同电压下光电流响应度随输 入光功串变化的情况“9 4 图5 1 9 基于反偏p 竹结的硅光调制器9 5 图5 2 0 仿真得到的基于p n m z i 结构的硅光调制器的传输特性曲线方块：没有光生裁流子； 圆圈：较少的光生载流子，- lt a d 及a a = 0 1 c m , 三角形：较多的光生载流子，= 2 仡d 及a a - - 0 2 c m ”9 7 图5 2 1 实验测得的基于p n - m z i 结构的硅光调制的传输特性曲线空心五角星：相移器a 反偏， 相移器b 开路；实心五角星：相移器a 反偏，相移器b 短路9 8 x l 表目录 表3 1m m i 器件结构特性总结3 9 表4 1 文献中报道的基于m z l 结构的硅光子器件的消光比( b m f e t = b i p o l a rm o d ef i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ；m o s = m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 6 6 表4 2 不同电压、电流下的温升及有效折射宰变化情况表7 l x l i t - 1 绪论 1 1 引言 用光子代替电子作为信息载体，用光纤通信代替电缆和微波通信，使得信息 的传输发生了本质的变化，这不仅是通信史上，也是人类史上的划时代进步 在人类发展的早期，光通信就已经产生了，当时人们使用手势实现了最早的 光通信这是一种目视形式的光通信，不能在黑暗中进行而且，这种系统的信 息传输速度很低，传输距离非常有限，发生错误的概率也很大后来的光通信系 统使用烟作为信息载体，用改变烟火形态的方法来实现信息的传送，可以实现较 远距离的传输灯的发明使人们可能构造简单的光通信系统，例如航海用灯塔、 交通管制灯等1 8 8 0 年，贝尔发明的称为“光电话”的光通信系统【2 1 ，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 上述所有系统的信息容量都很低直到1 9 6 0 年，美国科学家研制了第一台 6 9 4 3n r n 红宝石激光器【3 1 ，实现了大容量光通信的一个主要突破作为一种稳定 的相干光源，激光器提供的窄带光辐射适于用作信患载体激光器发明之后，通 过激光束在大气中传输的信患通信很容易实现但是这种非引导的光通信系统的 正常工作要取决于洁净的大气、发送机和接收机之间的直线传输路径光波在空 气中的散射和衍射会导致很大的损耗，大气分子的振动会导致光的传输路径随时 问而抖动【4 】由于非引导光通信系统受到上述因素的约束，这激起了人们对可以 引导光束传输的光系统的兴趣1 9 6 6 年，英国华裔科学家高锟证实，通过降低 光纤中的杂质浓度，可以获得满足实际应用的、损耗低于2 0d b k m 的光纤【5 1 1 9 7 0 年，美国c o m i n g 公司拉制出了世界上第一根损耗低予2 0d b k m 的光纤 同年，在室温下连续工作的长寿命的g a a i a s 异质结半导体激光器研制成功这 两项技术的突破标志着一个光纤通信新时代的来临因此，1 9 7 0 年又被称为光 通信的“元年”【l 】光通信时代的序幕自此拉开，并一直以惊人的速度发展着，新 技术、新器件不断涌现，为信息基础设施提供了宽阔的传输通路 浙江大学博士学位论文 在过去的几十年里，光纤通信凭借其巨大的带宽资源以及相对低廉的制造成 本，取代同轴电缆成为远距离通信的首选，光纤通信网已经成为世界各国的主导 通信网络，其结构见图1 1 。日益增长的用户的需求促使光通信网络技术不断地 更新发展。在核心网部分，复用技术从传统的电时分复用( e t d m ) 【6 ，7 】转移到光 复用，交换技术从电交换过渡到光交换，并向高速、可扩展、业务透明以及高生 存性的全光通信网络( a o n ) 【8 ，9 】发展。光复用包括光时分复用( o t d m ) 1 0 , 1 1 1 、 光波分复用( o w d m ) 【1 2 1 4 】以及处于研究阶段的光码分复用( o c d m a ) 【1 5 , 1 6 三种技术。在接入网部分，无源光网络( p o n ) 1 7 - 2 1 以其容量大、传输距离长、 较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。t d m p o n ( a p o n 、e p o n 、g p o n ) 和w d m p o n 等主要的无源光网络产品已经逐步商用化。无线光通信技术无需 频率申请、机型小方便架设、能够简单的解决“最后一英里”的问题，为宽带接入 的快速部署提供了一种灵活的解决方案。 一。以 一帝矿一， _ ”硎吨“”2 测磊 - 稍豳啊一_ a c c 5 s m e t r c m e t r oc 0 r ，r t 9 - o i 图1 1 光通信网络结构示意图 用户的需求及市场的激励竞争，使得对光纤光缆、光电子器件( 含有源光器 件、无源光器件、光电端机等) 、光传输设备( 含p d h 、s d h 、w d m 、d w d m 等) 等光通信产品的要求越来越高。其中，光电子器件的成本是影响光通信网络体系 的价位的主要因素2 2 1 。这促使a i f 努力去实现具有处理能力强、性价比高等优点 的小型化光电子器件及集成化的光电子系统集成光学的产生正是基于这一动 1 绪论 机，集成光学的概念于1 9 6 6 年由t a m i r 和m i l l e r 提出瞄引在集成光学出现的几 十年里，从理论的形成到技术开发，集成光学已产生了巨大的社会影响半导体 光电子集成以半导体为基片，以集成为手段，以光信息为载体，以光速为传输速 度，具有集成度高、信息量大、速度快等独特的性能和作用【2 4 1 ，因此，半导体光 电子集成技术是实现高性能、低成本的光电子器件的有效途径目前光电子器件 所采用的材料主要是v 族材料及宽带隙v 族氮化物如a i n 、g a n 和i n n 等 这些材料与广泛使用的硅技术无法兼容且制造成本很高，因而限制了它们的应用 领域发展与硅技术兼容的光电子集成技术，使硅技术的应用从微电子领域扩展 到光电子领域，是值得深入研究的课题 1 2 硅基光子学的发展现状 基于硅材料的微电子技术已对人类社会的进步发挥了巨大的作用然而，现 代信息数据的海量增长、带有多核处理器的高性能计算机的出现，对信息传输等 技术提出了更高的要求，集成光子技术被认为是解决途径之一对集成光子技术 的研究已历经四十余年，由于技术和成本的原因，直接在光子器件层面上的集成 代替微电子集成以实现全光的信息处理一直没有实现将现有成熟的微电子技术 和光子技术结合，即利用硅材料及c m o s 工艺来制作光电子器件，应该是实现 大规模光电子器件集成的可行途径 早在2 0 世纪8 0 年代，从理论与实验上证实了单晶硅在光纤通信的主要波长 段( 1 3 1 6p m ) 是透明猷j 1 2 5 】，硅材料开始被当着光学材料进行研究但相比 于v 族化合物材料( 如i n p 、g a a s ) 、铌酸锂材料( l i n b 0 3 ) 及硅石材料( s i l i c a ) ， 硅的研究成果比较少，硅光电子器件高实用化还有一定的距离这主要有两个原 因【2 6 】：一，单晶硅属于间接带隙的半导体材料，受激辐射能力很弱，不能用于制 作能有效发光的器件，比如激光器而v 族化合物材料是直接带隙半导体材 料，可用于制作半导体激光器- - ，硅是对称结构晶体，没有一阶线性电光效应 ( p o c k l e s 效应 难以对其进行电光调制而其他材料，比如l i n b 0 3 材料，可 以利用p o c k l e s 效应进行高速电光调制 但是，这并没有妨碍近十年来硅成为被广泛研究的光电子材料，一系列硅无 浙江大学博士学位论文 源和有源光波导器件被成功研制。国内外很多科研机构在从事硅光子学的研究， 包括i n t e l 、i b m 、c o m e l lu n i v e r s i t y 、m a s s a c h u s e t t e si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 、 u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a - s a n t ab a r b a r a 、u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a - l o sa n g e l e s 、 c o l o m b i au n i v e r s i t y 、美国空军研究实验室、欧洲微电子中心、意大利硅光子组、 比利时g h e n t u n i v e r s i t y 、英国s u r r e y u n i v e r s i t y 、英国微光子与光子晶体课题组、 新加坡微电子研究院( i m e ) 、香港理工大学、中科院半导体所、中科院微系统 所、北京大学、南京大学、华中科技大学、吉林大学、中山大学、东南大学、浙 江大学等。 图1 2 硅无源光器件：( a ) 分束器1 2 7 1 ；( b ) 波导阵列光栅a w g l 2 8 1 ；( c ) 级联的微环1 2 明；( d ) 耦合光栅i 3 0 i 硅基光子学的迅速发展主要归功于人们对硅材料物理特性的认识的提高硅 材料中的物理效应主要有热光效应 3 - 3 4 】、载流子散射效应【3 孓3 9 1 、双光子吸收 ( t p a ) 1 4 0 , 4 1 1 、四波混频【4 2 】k e r r 效应【4 3 1 、r a n l a n 效应m 4 5 】等 2 = 1 5 岬时，硅的热光系数约为1 8 5 x 1 0 - 4 - c 3 1 3 2 1 硅的热光效应用于相位 1 绪论 调制的优点是没有伴随的附加损耗，且相移臂的长度可以很短，产生7 c 相移的长 度约3 0 0 ) a m t 3 2 1 。其缺点是调制速率慢，一般为m s 量级，基于s o i 材料的热光 器件速度也只能到1 0 螂量级【3 3 】。 图1 3 基于硅光子线波导的1 n 热光开关3 4 1 ：( a ) 1 1 光开关；( b ) 1 2 光开关；( c ) 1 4 光开关 载流子色散效应指的是载流子的注入或抽取导致的半导体中自由载流子浓 度的变化引起折射率的变化。1 9 8 3 年，瑞典皇家工学院的m w i l l a n d e r 首次设计 实验验证了硅光波导中的载流子效应【3 5 1 。通过理论分析和实验，指出介电常数的 虚部与载流子浓度呈线性函数关系。随后几年，r a s o r e f 及其合作者在载流子 色散效应的研究上做出了极大的贡献【3 6 。9 】，他们设计、制作出一系列基于载流子 色散效应的硅光波导器件，并总结了硅光波导器件中折射率和吸收系数的变化跟 载流子浓度的变化之间的关系式。最早的硅光子器件的设计是基于硅掺杂的衬 底硅，光场限制差、传输损耗较大。目前基于s o i 材料的波导结构成为主流，因 为s o l 波导结构能更好的限制光场 自2 0 0 4 年以来，在硅基光子学的研究上取得了非常突出的研究成果首先 是i n t e l 发布了调制带宽超过1g h z 的硅调制器【4 6 1 。2 0 0 7 年，i n t e l 将硅光调制器 的数据传输速度提高到3 0g b p s t 47 1 。用硅材料来制作激光器是一个比较大的问题， 但是这个难题在2 0 0 5 年被i n t e l 的研究人员攻克，基于r a m a n 效应的硅激光器 问世【4 8 , 4 9 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i v 族化合物材料与硅混合集成的硅基激光器【5 0 , 5 1 】也是解 决硅发光问题的可行方式，这能充分发挥硅的廉价优势和i i i v 族化合物材料的 发光能力。i n t e l 及其他研究机构的研究人员在工作于1 5 5 0 n m 波段的锗硅高速探