光电子芯片-基础、应用及制造 课件 第2章 光无源器件

光电子芯片—基础、应用及制造1第2章光无源器件2.1波分复用/解复用器（WDM/DWDM）2.2光滤波器2.3微机电系统（MEMS）2.4波导光隔离器2.5阵列波导光栅（AWG）无源器件及其应用2.6光耦合器光电子芯片—基础、应用及制造2图2.1.1光栅型解复用器a）透射光栅b）普通透镜反射光栅

c）渐变折射率透镜反射光栅2.1

波分复用/解复用（WDM/DWDM）2.1.1

反射光栅解复用器（DWDM）2.1.2AWG复用/解复用器（WDM/DWDM）平板阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器的基本原理是经过不同光程传输后光的干涉。光电子芯片—基础、应用及制造3图2.1.2由阵列波导光栅（AWG）组成的解复用器

芯片尺寸为600

μm

×

400

μm，包括0.8

μm宽的直波导和0.5

μm宽的弯曲波导，曲率半径为10

μm。在输入/输出波导两侧放置几个虚拟通道确保制造工艺均匀性，包括光刻、蚀刻和平面化。该AWG自由光谱范围为25nm，插入损耗2.26~2.6dB，串扰范围为－16.24~－17.39dB。图2.1.2c一种实际制造出的AWGWDM显微图光电子芯片—基础、应用及制造42.2光滤波器

2.2.1法布里-珀罗（F-P）谐振腔图2.2.1法布里-珀罗（F-P）谐振腔及其特性a）

反射波B和原波A干涉b）

只有满足m(/2)=L波长的腔模波长才能在谐振腔内存在c）

不同反射系数的驻波电场强度和频率的关系光电子芯片—基础、应用及制造5法布里-珀罗（F-P）谐振腔工作原理光电子芯片—基础、应用及制造6法布里-珀罗（F-P）光学谐振腔就是两块平行的反射镜。基本的谐振腔是由置于自由空间的两块平行镜面M1和M2组成，如图2.2.1a所示。光波在M1和M2间反射，导致这些波在空腔内相长干涉和相消干涉。从M1反射的A光向右传输，先后被M2和M1反射，也向右传输变成B光，它与A光的相位差是k（2L），式中k为波矢量[见式（1.2.7）]。如果相位差是2的整数倍,则B光和A光发生相长干涉，其结果是在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们把它称为驻波。显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器，它由法国物理学家法布里（Fabry,1867-1945）和玻罗（Perot,1863-1925）于1897年发明。π2.2.2

法布里-珀罗（F-P）

滤波器

图2.2.2F-P滤波器的传输特性a）传输特性b）N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图

c）滤波器输出频谱图光电子芯片—基础、应用及制造72.2.3马赫-曾德尔干涉器（MZI）当两臂间的相位差

等于π时，两束光在C点出现了相消干涉，探测器输入光为零；当两臂的光程差为0或的倍数时，两束光在C点相长干涉，探测器输入光为最大。马赫-曾德尔波导干涉器已被广泛应用于光滤波器、光调制器、反潜声纳、矩阵乘法运算、人工智能（AI）、神经网络、量子通信等的核心部件中。光电子芯片—基础、应用及制造82.2.4MZI干涉滤波器马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。改变

既可以分别控制有效光通道的折射率n和长度差

，也可以同时控制。可以通过对热敏薄膜加热或者改变压电晶体的控制电压来达到。此外，马赫-曾德尔干涉器构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低，但是调谐控制复杂，调谐速度较慢。光电子芯片—基础、应用及制造92.2.5布拉格光栅波导滤波器光栅滤波器的基本原理是折射率周期性变化的光栅反射共振波长附近的光。波导光栅可以通过刻蚀工艺实现。光栅的作用如同一个强的反射镜。如果布拉格光栅的共振波长为λB，正好与λ2相同，则该光栅反射λ2波长的光，而让其他波长的光通过，即滤除了λ2波长的光。光电子芯片—基础、应用及制造102.3微机电系统（MEMS）

2.3.1微机电系统（MEMS）简介微机电系统MEMS是基于微机械或微光电子技术的微型机电器件或系统，主要包括微传感器、微执行器、微系统等。它通常具有信息获取、信息处理与控制及制动等功能，其特征尺度介于微米和毫米之间，结合光电子器件和机械部件，采用集成电路工艺制作，集约了当今科学技术的许多新成果。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。光电子芯片—基础、应用及制造112.3.2微机电系统（MEMS）光开关图2.3.1可升降微反射镜MEMS光开关a）平行连接状态b）交叉连接状态光电子芯片—基础、应用及制造122.4波导光隔离器

2.4.1钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI波导光隔离器图2.4.1钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI波导光隔离器a）结构示意图 b）波长损耗特性光电子芯片—基础、应用及制造13钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI

波导光隔离器工作原理基于马赫-曾德尔干涉（MZI）原理的波导光隔离器，如图2.4.1a所示，它在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。为了制作光隔离器，首先将钇铁柘榴石波片键合在马赫-曾德尔干涉器（MZI）波片（GaInAsP/InP）上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由λ/4臂长差提供。MZI设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180°的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90°的非互易相移和90°的互易相移完成。因此，正向传输光在Y2输出端的总相移为零，两光相长干涉而增强；而反向传输光在Y1输出处时的总相移为180°，两光相消干涉而抵消。其工作原理与3.2.3节介绍的马赫-曾德尔（M-Z）调制器类似。这类器件无需精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。光电子芯片—基础、应用及制造142.4.2微环磁光波导光隔离器图2.4.2微环法拉第介质磁光材料光隔离器a）法拉第介质微环光隔离器b）隔离器磁铁环横截面图光电子芯片—基础、应用及制造15图2.4.3非互易相移微环磁光波导光隔离器特性a）注入电流+/80mA时测量到的光谱

b）波长变化和隔离度与注入电流的关系光电子芯片—基础、应用及制造16法拉第介质磁光微环光隔离器原理该隔离器利用现有在芯片上产生磁场的技术。该微环半径只有35μm，几乎实现了与光纤的临界耦合，制成的光隔离器对TM光的隔离度为32dB（施加80mA电流），1555nm波长芯片损耗为2.3dB。制作该隔离器时，首先，将法拉第磁光单晶Ce:YIG生长在钆镓石榴石铁氧体（SGGG）衬底上，然后把SGGG衬底粘结在Si层上。所有材料在波长1555nm的损耗都很小，但是Ce:YIG单晶例外，它的传输损耗为60dB/cm，然而它的法拉第旋转角很大，可到4500o/cm。在SGGG衬底的底部，用离子束光刻技术沉积一个正对Si环的Ti/Au环，当Ti/Au沉积层总线接入电源有电流通过时，在Ti/Au波导环中将产生磁场H，如图2.4.2b所示，所以该Ti/Au环同时也视为一个磁铁环。借助这样的磁场，顺时针和反时钟磁场在Ce:YIG法拉第非旋光材料中，对入射光和反射光产生非互易相位差（NRPS），即反射光的相位移是入射光的两倍，与入射光进行了隔离。光电子芯片—基础、应用及制造172.5阵列波导光栅（AWG）

无源器件及其应用以阵列波导光栅（AWG）为基础的平面波导集成电路

（PLC）

是光纤通信器件的基础。以InP为基础的阵列波导光栅的显著特点是，尺寸小、成本低、设计灵活和易于和光纤耦合，具有平坦的频率响应，小于3dB的插入损耗，优于35dB串话电平，以及易于和光感知探测器、激光器、光调制器和半导体光放大器（SOA）集成，从而使光纤通信器件的体积进一步减小，可靠性进一步提高。本节将介绍AWG构成的PLC器件有，调谐滤波器、波分复用（WDM）/解复用器、多信道光发射机和接收机、光分插复用器（OADM）和WDM无源光网络（WDM-PON）使用的无色宽带光源等。光电子芯片—基础、应用及制造182.5.1AWG星形耦合器图2.5.1采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器a）相位中心星形耦合器外形原理图b）光栅圆-罗兰圆中心耦合区原理图c）光栅圆、罗兰圆中心耦合区示意图光电子芯片—基础、应用及制造192.5.2AWG工作原理图2.5.2阵列波导光栅（AWG）a）AWG构成原理图b）表示AWG频谱特性的传输特性光电子芯片—基础、应用及制造20AWG光栅工作原理是基于多个单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。从图2.5.2a可知，输出端口不同，光程差也不同，输出光的波长也不同，所以AWG可以从波分复用信号中分解出每个波长的信号。2.5.3AWG用于光滤波器图2.5.4基于AWG的路由器和SOA的数字选择波长滤波器a）单片集成原理图 b）只有一个信道被SOA接通输出频谱 c）SOA接通输出功率和输入信号波长的关系光电子芯片—基础、应用及制造21

滤波器工作原理：首先，把64路WDM波长信号分成8组，每组8个信号，由18AWG完成。信道组光频间距为400GHz，正好等于前端AWG的FSR。

其次，8个信号为1组的信号被第1级SOA选通，并由后端88AWG解复用。最后，8个信号为1组的每个信号被第2级SOA选通，并通过81MMI耦合器输出到功率增强SOA。通常SOA门的数量是2倍WDM信道数的平方根。图2.5.5WDM64信道AWG路由数字选择波长滤波器光电子芯片—基础、应用及制造222.5.4AWG用于多信道光接收机图2.5.6AWG波长解复用阵列PIN接收机

图2.5.7平面波导集成电路（PLC）多信道光接收机光电子芯片—基础、应用及制造23图2.5.6AWG的自由光谱范围（FSR）是800GHz（6.5nm），设计用于信道间距100GHz（0.81nm）

的8个信道的WDM解复用（100GHz8=800GHz）。

图2.5.88通道氮化硅（SiN）波导阵列光栅（AWG）WDM/DWDM、收发芯片a）芯片显微图 b）硅衬底膜板激光器光电子芯片—基础、应用及制造242.5.5AWG

用于宽谱

光源分割图2.5.9阵列波导光栅（AWG）对宽谱光进行光谱分割光电子芯片—基础、应用及制造25将AWG和半导体光放大器（SOA）集成在一起，制成WDM光源，提供ITU-T规定的通道间隔25GHz、50GHz或100GHz输出，输出光功率10dBm，波长1528~1600nm。2.5.6AWG用于ONU无色WDM-PON图2.5.10

ONU宽谱光源WDM

-

PON

系统的上行部分光电子芯片—基础、应用及制造26图2.5.11ONU中无光源（无色）WDM-

PON

上行系统光电子芯片—基础、应用及制造272.5.7AWG用于光交叉连接（OXC）图2.5.12光交叉连接器原理图光电子芯片—基础、应用及制造288.5.11节将介绍谷歌公司利用MEMS技术，在其数据中心中，建立了基于微机电系统的光电路交换（OCS）网络。图2.5.13波长选择光交叉连接（OXC）ROADM芯片a）ROADM原理图 b）非对称24x8OXC c）24x8ROADM芯片布局图光电子芯片—基础、应用及制造292.5.8AWG用于光正交频分复用

（O-OFDM）信号产生图2.5.14使用AWG的4信道O-OFDM发送机PIC原理图a）OFDM发送机原理框图b）OFDM发送机原理图 c）芯片图光电子芯片—基础、应用及制造302.5.9AWG用于傅里叶变换和逆变换（1）

——在人工智能（AI）光电子芯片中的应用1.傅里叶变换我们知道，傅里叶变换用来计算随时间变化的波形w(t)中包含的频率分量W(f)，利用AWG实现傅里叶变换的过程如下：输入信号：多波长信号W(f)光的时间波形w(t)通过输入波导进入AWG，如图2.1.2所示。衍射与干涉：信号光在自由传播区衍射，进入阵列波导。不同波长的光W(f)在阵列波导中经历不同的相位延迟[见式（2.1.1）]。聚焦与分离：经过相位延迟的光在输出自由传播区干涉，不同波长的光聚焦到不同输出波导，实现波长分离。输出信号：每个输出波导对应一个特定波长W(fi)，完成傅里叶变换。光电子芯片—基础、应用及制造31图2.5.15阵列波导光栅（AWG）

完成傅里叶变换和逆变换光电子芯片—基础、应用及制造322.5.9AWG用于傅里叶变换和逆变换（2）2.傅里叶逆变换傅里叶逆变换用来计算包含多个频率分量W(fi)的合成频率信号的时间波形w(t)。输入信号：分离的多个波长信号W(fi)的时域信号W(t)通过输出波导重新输入AWG。反向传播：信号在输出自由传播区衍射，进入阵列波导，经历与傅里叶变换相反的相位延迟。干涉与合成：光在输入自由传播区干涉，重新合成原始信号W(f)。输出信号：多波长信号W(f）的时间波形W(t)通过输入波导输出，完成逆傅里叶变换。由此可见，AWG中相邻波导间的相位差是实现傅里叶变换和逆变换的关键。由于AWG的结构的对称性，使其能同时支持傅里叶变换和逆变换。AWG被用来实现傅里叶变换和逆变换，可提高光神经网络在操作过程中分辨的矩阵维数，降低计算能耗。光电子芯片—基础、应用及制造332.6光耦合器图2.6.1光耦合器基本结构光电子芯片—基础、应用及制造34方向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，其功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出；其传输特性由耦合模理论决定。图2.6.2几种硅和氮化硅波导无源器件光电子芯片—基础、应用及制造352.6.12×2波导光耦合器理想波导中，任意导波可以表达成本征模式的线性组合，波导纵向的非均匀性会引起各传导模式之间的相互影响，随着模式在波导内的传输，各模式之间会交换能量，从而实现模式耦合。耦合波导器件在集成光学中广泛应用于功率分配、波分复用、模式转换、偏振旋转等。光电子芯片—基础、应用及制造36图2.6.3波导方向耦合器a）波导方向耦合器 b）在输出端，分光比与两个波导宽带差的模拟关系 c）1×2光分路器图2.6.4制造出的平衡耦合器显微图光电子芯片—基础、应用及制造372.6.2波导多模干涉（MMI）分光/耦合器图2.6.6波导多模干涉（MMI）分光/耦合器a）波导多模干涉（MMI）1×