基于SOI懸浮波導(dǎo)的中紅外熱光調(diào)制器的分析

檀亞松，余 輝，郝寅雷，楊建義，江曉清

基于SOI懸浮波導(dǎo)的中紅外熱光調(diào)制器的分析

檀亞松，余 輝，郝寅雷，楊建義，江曉清

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江杭州310027）

設(shè)計了一種基于SOI（Silicon-On-Insulator）單模中紅外低損耗懸浮脊波導(dǎo)的MMI-MZI型熱光調(diào)制器。對單模懸浮脊波導(dǎo)和基于懸浮波導(dǎo)的調(diào)制器的參數(shù)進行了分析，并給出了工藝實現(xiàn)方法。在波長5.4μm，采用3D－BPM（Beam Propagation Method）方法對熱光調(diào)制器的模型進行了傳輸特性的仿真。結(jié)果表明在加熱電極長度為3 mm時，熱光作用區(qū)通過很小的溫度變化ΔT＝5.3℃時，可以實現(xiàn)消光比為－40 dB。該中紅外器件尺寸大，設(shè)計和制作容差大，在中紅外硅基光子學(xué)有著重要的應(yīng)用。

中紅外；懸浮波導(dǎo)；熱光效應(yīng)；調(diào)制器；集成光學(xué)

1 引 言

由于中紅外波段在眾多領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用，如化學(xué)－生物－物理傳感、醫(yī)藥、自由空間光通訊、熱成像和紅外軍事對抗等。中紅外（MIR）硅基光子學(xué)在過去的幾年里吸引著越來越多的關(guān)注［1－2］，其最新進展有：基于藍(lán)寶石上硅（SOS）材料的工作波長為4.50μm、5.08μm、5.5μm的中紅外光波導(dǎo)器件［3－5］，傳輸損耗分別為4.3 dB／cm、1.9 dB／cm、4 dB／cm；基于SOI材料的工作波長為3.39μm、3.73μm、3.8μm的中紅外脊波導(dǎo)［6－7］，傳輸損耗分別為0.6－0.7 dB／cm、1.5±0.2 dB／cm、1.8±0.2 dB／cm；硅基工作波長為10.6μm的多模干涉功分器［8］；基于SOI材料的懸浮脊波導(dǎo)［9］，在工作波長2.75μm的傳輸損耗為3.0±0.7dB／cm。

迄今為止，絕緣體上硅（SOI）材料已被廣泛地應(yīng)用在光電子集成電路（PIC）和光電集成電路（OE-ICs）中。然而SOI波導(dǎo)的工作波長范圍受到埋氧層（BOX）的透明窗口（低于2.6μm、3.4μm附近）的限制。為了克服這一限制，藍(lán)寶石上硅（SOS）材料作為一種替代方案被用于中紅外波導(dǎo)器件的制作。然而，藍(lán)寶石襯底在大于6.0μm的波段也有大的損耗。此外，SOS晶圓有更多的缺陷，制造流程復(fù)雜且比商用SOI更昂貴。而基于SOI材料的懸浮脊波導(dǎo)［9］通過氫氟酸溶液腐蝕掉波導(dǎo)正下方的埋氧層，消除了埋氧層的影響，使得SOI材料低損耗工作波長覆蓋到中紅外和遠(yuǎn)紅外波段（2.2～8.0μm和25～200μm，即硅的低吸收損耗波段）。

中紅外調(diào)制器在中紅外自由空間光通信、中紅外光學(xué)傳感、和中紅外軍事對抗領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用。本文介紹了基于SOI懸浮波導(dǎo)的工作波長為5.4μm的中紅外多模干涉馬赫－曾德型（MMI-MZI）熱光調(diào)制器的設(shè)計，對器件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)進行了數(shù)值分析和軟件模擬，分析了硅的中紅外熱光調(diào)制效應(yīng)，給出了工藝實現(xiàn)方法。

2 工作原理

SOI多模干涉馬赫－曾德型調(diào)制器是一個基于SOI材料的脊型波導(dǎo)制作成的對稱型馬赫－曾德干涉儀，它包含了一個1×2多模干涉分束器、傳輸臂、加熱電極、一個1×2多模干涉合束器，如圖1所示。

圖1 MMI－MZI型熱光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic configuration of MMI-MZI thermo-opticmodulator

馬赫－曾德型調(diào)制器的基本工作原理：輸入的光場經(jīng)過3 dB分束器分束后在兩臂中傳輸，相移臂上的加熱電極通過硅的熱光效應(yīng)改變光束的傳播常數(shù)，使得輸入到合束器的兩束光之間有相位差，當(dāng)兩束光波在合束器中發(fā)生相互干涉時，不同的相位差就會干涉輸出不同的光功率。通過控制相位差就能實現(xiàn)強度調(diào)制。

由式（1）可得實現(xiàn)π相移所需的溫度變化為：

假設(shè)輸入光功率被MMI均勻分束，當(dāng)兩臂相位差為Δφ時，調(diào)制器的輸出功率為：

由式（1）、式（2）、式（3）可知，對波導(dǎo)進行適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)，就能達到強度調(diào)制的目的。

3 器件的設(shè)計

根據(jù)脊波導(dǎo)的單模條件［11］，設(shè)計中紅外λ＝5.4μm單模脊波導(dǎo)，W＝4μm、H＝5μm、h＝2.5μm。圖2（b）是對應(yīng)脊波導(dǎo)的模場分布，波導(dǎo)具有良好的單模特性。選擇較大的刻蝕深度是為了增強對光場的有效限制，從而減少波導(dǎo)的彎曲損耗。

圖2 脊波導(dǎo)截面示意圖及模場分布仿真圖Fig.2 Cross-sectional schematic configuration and computed mode profile of rib waveguide

如圖3所示，在脊波導(dǎo)兩側(cè)開出與脊波導(dǎo)平行的周期排列的方孔，通過方孔掏去脊波導(dǎo)正下方高損耗的埋氧層，從而實現(xiàn)中紅外懸浮光波導(dǎo)。具體實施方案如下：首先在SOI片上光刻刻蝕出脊波導(dǎo)（如圖3（a）），然后在脊波導(dǎo)的側(cè)邊光刻出周期排列的方孔（如圖3（b）），將方孔處深刻蝕到埋氧層（如圖3（c）），最終將波導(dǎo)器件放入氫氟酸溶液中浸泡，使得氫氟酸溶液通過小孔掏空脊波導(dǎo)正下方的埋氧層（如圖3（d））。

圖3 懸浮光波導(dǎo)的制作方法（1－硅、2－二氧化硅、3－方孔，4空氣，W1＝W2＝L1＝L2＝4μm）Fig.3 Realization method of suspended rib waveguide（1－silicon，2－silica，3－square hole，W1＝W2＝L1＝L2＝4μm）

根據(jù)耦合模理論［12］，周期性方孔對波導(dǎo)模式的影響可以通過布拉格光柵耦合系數(shù)κ來表征：

其中，E為電場強度；k0為真空中的傳播常數(shù)；Δneff為方孔引起的有效折射率的變化。取W2＝L1＝L2＝4μm，對于圖2所示脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用有限元法仿真得到當(dāng)W1＝4μm時，κ趨近于0。

1×2多模干涉分束、合束器的設(shè)計利用了多模干涉型器件的自映像原理［13］，在多模波導(dǎo)中，由于多個導(dǎo)模相互干涉使得沿傳播方向會周期性的出現(xiàn)輸入場的一個或多個映像。對圖2所示脊波導(dǎo)的刻蝕深度，取多模波導(dǎo)寬度為30μm，用BPM算法仿真得多模波導(dǎo)長度為313μm時可以得到兩個輸出映像，如圖4所示。

圖4 1×2多模干涉功分器的傳輸特性仿真Fig.4 Transmission characteristics simulation of1×2multimode interferometer

最終器件的示意圖如圖5所示，其實現(xiàn)過程為：首先在SOI片上刻蝕出器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；然后在波導(dǎo)的兩側(cè)邊開出小孔、兩傳輸臂間隔中央開矩形長孔，將小孔和長孔處刻蝕到埋氧層；將SOI片放入氫氟酸溶液中浸泡，使得氫氟酸溶液通過小孔掏空脊波導(dǎo)正下方的埋氧層從而形成懸浮波導(dǎo)，而長孔出形成的凹槽將作為隔熱槽，將減少兩臂之間的熱串?dāng)_；最后在調(diào)整臂的側(cè)邊利用熱蒸發(fā)的方法鍍上鋁電極。

圖5 基于SOI的單模中紅外低損耗懸浮脊波導(dǎo)的MMI-MZI型熱光調(diào)制器Fig.5 MMI-MZI thermo-opticmodulator based on SOI（Silicon-On-Insulator）single-modemid-infrared low-loss suspended rib waveguide

4 調(diào)制特性的BPM仿真

采用3D－BPM法對上述熱光調(diào)制器的傳輸特性進行仿真，如圖6所示，可以很直觀地看出在未加調(diào)制和發(fā)生π相移調(diào)制這兩這情況行下光場的傳輸情況。

圖6 熱光調(diào)制器的傳輸特性Fig.6 Transmission characteristics simulation of the thermo-optic modulator

圖7 輸出功率隨調(diào)制臂溫度變化而變化的特征曲線Fig.7 Transmission dependence on temperature variation of the thermo－optic area

對調(diào)制器的熱光效應(yīng)進行仿真得到如圖7所示輸出功率隨調(diào)制臂溫度變化而變化的特征曲線，相移臂L＝3000μm時，當(dāng)ΔT＝5.3℃時，相移臂發(fā)生π相移，輸出功率最小，最大消光比可達－40 dB。

5 結(jié) 論

本文介紹了基于SOI懸浮波導(dǎo)的工作波長為5.4μm的中紅外多模干涉馬赫－曾德型（MMIMZI）熱光調(diào)制器的設(shè)計和制作方法。詳細(xì)說明了中紅外懸浮波導(dǎo)的制作方法，理論仿真了器件的參數(shù)，BPM仿真結(jié)果表明在熱光作用區(qū)ΔT＝5.3 K時，最大消光比可達40 dB。該種波導(dǎo)和器件的設(shè)計和分析方法同樣適用于中紅外2.2～8μm波段。器件結(jié)構(gòu)簡單，工藝容差大，易于實現(xiàn)。

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Analysis ofm id-infrared thermo-optic modulator based on SOI suspended waveguide

TAN Ya-song，YU Hui，HAO Yin-lei，YANG Jian-yi，JIANG Xiao-qing
（Institute of Microelectronics and Optoelectronics，Department of Information Science and Electronics Engineering，Zhejiang University，Hangzhou310027，China）

The MMI-MZI thermo-optic modulator based on SOI（Silicon-On-Insulator）single-modemid-infrared lowloss suspended ridge waveguide is designed and analyzed.Parameters of the single-mode suspended ridge waveguide and themodulator based on it are analyzed，and the implementation method is given.At the wavelength of 5.4μm，the transmission characteristics of the thermo-optic modulator model is simulated with 3D-BPM（Beam Propagation Method）method.The results show that a very small temperature change of5.3℃in the thermo-optic area can result in a extinction ratio of-40dBwhen the heating electrode length is3 mm.The dimensional tolerance of the MIR device is large，so it is easy to realize.The design will have important applications in themid-infrared silicon photonics.

mid-infrared；suspended waveguide；thermo-optic effect；modulator； integrated optics

TN256

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.10

1001-5078（2013）11-1248-04

國家自然科學(xué)基金項目（No.61177055）和國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（No.2013CB6132105）資助。

檀亞松（1988－），男，碩士研究生，主要從事集成光學(xué)波導(dǎo)器件的研究。E-mail：542952646＠qq.com

2013-03-28