2010-2011基于微環(huán)多通道可調(diào)諧光濾波器設計DropDropPower01 浙江大學光電信息工程田彧龍濾波器的有力競爭者，并成為近年來的研究熱點。微環(huán)結構的多通道、與國際電信標準（ITUGrid）目標提供了可能。加之SOI（Silicononinsulator）波導本身的低傳輸損耗特性和相關加工工藝的成熟性，SOI材料成為我們設計的最好選擇。當然，理論估算和仿真表明僅靠載流子注入的方法難以在單環(huán)的結構12.8nm的大調(diào)諧范圍以外，窄通帶帶寬（FWHM<0.8nm）是又一苛刻的技術指標，也是我們小組FWHM的唯一有效途徑，然而這一做法又變量，達到FWHM（約0.5nm）和損耗（2dB）的最佳平衡。同時，通帶平坦化是濾波器設計的關鍵本設計屬于小截面SOI波導。實際上這種小截面波導很容易帶來傳輸損耗大、易對光偏振態(tài)敏感以及Micro-ringresonator,withitsnarrowbandwidth,largeFreeSpectralRange(FSR)andcompactintegration, eapromisingcompetitorandresearchfocusformulti-channelfilterinDenseWavelengthDivisionMultiplexing(DWDM).Itsmulti-channelapplicationandcompatibilitywithInternational Union(ITU)Gridisbyallmeansworthyofresearchandfurtherapplication.Thisletterdescribesthedevisingprocessofatunablefilterwith100GHz(0.8nm)channelseparationwithintherangeof1543.6-1556.4nm,includingthefundamentalprinciples,ysistools,parameteroptimization,computersimulationandmanufacturingtechniques.Weaimtorealizealargetuningrangewithsmallvoltagechangeusingsiliconbecauseofitsplasmadispersioneffect.SilicononInsulator(SOI)ischosenasthewaveguideduetoitslowtransmissionlossandmaturemanufacturingtechnique.However,theoreticalcalculationandsimulationbothshowthatcarrierinjectiononasingleringcannotfulfillthispurpose.Tosolvethatproblem,ourgroupputforwardtwoplausibleplans:multi-ringparallelconnectionanddouble-ringserialconnectionbasedoncursoreffect.Apartfromthe12.8nmtuningrange,narrowbandwidthisanotherstrictcriterion.Itismosteffectivelysolvedbydecreasingthecouplingcoefficient,whileincreasingtheinsertionloss.Wealterstheregularcircularstructuretoarunwayconfigure,addingseveralvarianceandachievesanoptimalbalancebetweenFWHMandinsertionloss.Meanwhile,bandflatteningisalsostudiedandsimulated.Duetotheconsiderabletransmissionloss,PolarizationDependentLoss(PDL)andlowcouplingcoefficientofoursmallsectionareaSOIwaveguide,ayattentiontoseveralareasinmicroringmanufacturingprocessandprovideeffectivesolutions.Electrodeonsiliconwaveguideiscloselyrelatedwiththetuningperformance,whichisoneofourstudyfocuses.一、研究背景簡介二、微環(huán)諧振器的基本理論和分析方法三、初始結構設計四、結構設計優(yōu)化五、多通道調(diào)諧的實現(xiàn)（三）調(diào)諧范圍的Rsoft六、制作技術附錄：思考與心得、分工表、參考文獻一、研究背景簡介DWDM光纖網(wǎng)已成為當前光纖通信技術的主要發(fā)展方向之一。光WDM系統(tǒng)需要大量的光濾波器來選擇特定波長的光信號。近年來，環(huán)型（0.8nm二、微環(huán)諧振器的基本理論和分析方法（一）基本結出信道的耦合從輸出信道3輸出。11342（二）相關參2Rnc 對一個固定的微環(huán)半徑R，存在一系2列的波長（對應于不同的諧振級次 ）滿足諧振條件從而在微環(huán)內(nèi)通過諧振增強進行傳輸范圍。對諧振方程兩邊做微分，可以得到2RdncmmFSR式中ng為波導的群折射率4F和品質(zhì)因子F

texp(Rt2exp(2RQ 2Rnc FWHM為輸出波長處諧振峰的半寬高，R為彎曲波導損耗。 exp(RR（三）傳輸矩陣法

ttexp(R2.2所示，在微環(huán)中心和耦合點連線形成的截面兩側，A1、A2為輸入振幅，B1、B2為輸出振幅2.2B1tA1jA2B2jA1L t k式中，k(z為不同位置的耦合系數(shù)。理想情況有2t21.這里假設、t

jA1 A

2 22.3R1、2和t1、t2分別為兩個耦合區(qū)地振幅耦合比和振幅透射比。設進入以上耦合去的振幅為A1，通過耦合區(qū)地振幅為B1，輸入輸出信道的長度均為2L，微環(huán)和 常數(shù)均為2nc/,信道波導中的傳輸損耗（包括散射損耗、 損耗）為L微環(huán)波導中的傳輸損耗為R。2.3

B1t1A1j1A2B2j1A1t1

12 j1AB t1

2A

1t2 1 jA 234 2 exp[j(jR)R]A2 exp[j(j) B

3 2 1 1 j20 exp[j(jR)R] jA 1

t

exp[j(j)R]

114

j2

2 B1MA1NA4B4NA1M'

1

Mt1t2exp[2j(R)R]1t1t2exp[2j(R)M't2t1exp[2j(R)R]1t1t2exp[2j(R)N12exp[j(R)R]1t1t2exp[2j(R)B1t1t2exp[2j(R) 1t1t2exp[2j(R)B412exp[j(R) 1t1t2exp[2j(R)同時，考慮到輸入/輸出端口到耦合區(qū)域的長度為L（其傳輸損耗為L）則得A0A1exp[j(L)L]B0B1exp[j(L)L]B5B4exp[j(L te2j(R)R

2j(U 0

1 R) 1 tte2j(R)R 1 KKej(R)

2j() tte2j(R tte2j(R)R 1串聯(lián)雙環(huán)諧振器的結構如圖2.4所示。雙環(huán)R1R2，三個耦合區(qū)的振幅耦合和透射系數(shù)分別為1、2、3和t1、t2、t3。令進入耦合區(qū)的光場振幅Ai，通過耦合區(qū)的光Bi。設微環(huán)和輸入/輸出波導的常數(shù)均為nc/。B1MA1B6NA6t{1exp[j2(

2.4)RR)]}t{exp[j2(

)R]t2exp[j2()RM

1t2exp[j2()RR]tt{exp[j2()R]exp[j2()R 1 Nj2N1

exp[j(

)

R21t2exp[j2()R1R2]t1t2{exp[j2(R)R1]exp[j2(R)R2 UB0B6exp[j( VB7B6exp[j(

R)2L]Mexp[j(R)2L]Nexp[j(

（四）等效折射率法 關于電場E [n2(x,y)k2 E(xyE(xyX(x)Yy2X2Y

(x,

22

12X X (neff(x)k0)12Y Y (n(x,y)k0neffk0)2.6層和襯底的TE模的波動方程： y(n2k22) x 1 y(n2k22) 0x 2 y(n2k22) x 3

xEy(x)E2cos(2x 0xhE3exp(3x) x0neff2neff2n22n22 neff2neff2neff為所求等效折射率，k0是在真空中的波數(shù)。導模存在的條件是123n2neffn3n12hmtan1(3)tan1(12 n11n23.45SiO2，n31.450.25m0.05m（251.55μm。我們的程序計算neff12.898neff21.610。為驗證程序的正確性，針對文獻[1]三、初始結構設計（一）微環(huán)半徑與光譜范圍FSR

其中是諧振波長，取為1.55m；RNg3.1再結合損耗進行分析。我們小組利用Rsoft的Beamprop模塊算出不同半徑時彎曲波導的損耗。圖 R=5μm時的損圖 R=2μm時的損綜合FSR和損耗兩方面因素，微環(huán)半徑5μm是一個比較合理的選擇。（二）波導材料的選擇SOISOI光與標準的CMOS工藝完全兼容，為實現(xiàn)高集成度的光電子回路提供了可能；(2)SOI材料具有很好的導波（三）波導結構尺寸在確定使用SOI3.3所示的一種典型的波導尺寸作為初始結構。由于波導尺圖 SOI脊形波導的結構微環(huán)半徑 總線波導長度總線波導長度 波導材料及折射 波導材料及折射 波導結構尺寸 圖3.3所3.2四、設計優(yōu)化（一）諧振峰FWHM與耦合系數(shù)的關系1543.6-1556.4nm16（0.8nm般情況下在0.1的范圍內(nèi)，對應的FWHM約為0.8~0.3nm。4.1neff

1 Wavelength/R5mL5m無損情況下取不同值時的透過率與波長關系（12（Gap5μm，僅對Gap的取值進行優(yōu)化。當Gap=0.35μm時，F(xiàn)WHM≈0.5nm左右，已經(jīng)能夠滿足設計要求。4.34.40.897um1.55umopme2=2^20fdd_e_sep耦合系數(shù)非常小，也是不能得到FWHM≈0.5nm的仿真結果的。（二）Offset/Gap與損（Offset量offset進行掃描可以得到圖4.6。4.54.6輸出功率隨offsetOffset為0.15μm時有最小的損耗。在此基礎上，如圖4.7所示，在throu2h端和drop端分別加上一個monitor，用Fullwave模塊求解不同Gap時的耦合系數(shù)。即找到當耦合系數(shù)滿足FWHM的要求時4.7（三）串聯(lián)雙環(huán)對通帶平坦特性影響觀察實際效果，我們首先使用Rsoft對兩個完全相同的微環(huán)串聯(lián)的情況進行仿真。圖 雙環(huán)串聯(lián)結構示意圖：兩個圓環(huán)和附近的直波導的間距相 2=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09，圖4.12給出了這種串聯(lián)雙環(huán)諧振器的輸出光譜。在2=0.01時，在振波長m處輸出功率T不能達到；而當2與圖4.11所示的仿真結果相吻合。4.12心波長為兩個環(huán)的諧振波長，即 Rm，2nRm，可得:|N2 1 2 12ttt1

|實現(xiàn)最大輸出，需要使得|

2|1。化簡后

2

1122直波導長度 l直波導位置偏置直波導位置偏置 直波導與微環(huán)間距 4.1五、多通道調(diào)諧的實現(xiàn)m是諧振級次。在微環(huán)尺寸（R）確定的情況下，只能通過調(diào)整等效折射率實現(xiàn)諧振波長的調(diào)諧。有優(yōu)異電光系數(shù)（33=30.8pm/V）的晶體，但盡管如此，要實現(xiàn)諧振波長的有效調(diào)諧仍需要加幾（如參考文獻[2]15微米的圓環(huán)，0.36V0.05nm的變化，所以（一）等離子色散效應由于Si沒有顯著的Pockels（線性電光效應LiNbO3和Ⅲ-ⅤSi應用于集成光學器件的努力一直在進行。近年來，Si的一些效應被Frany-Keldysh效應、Kerr效應和等離子體色散效應等，其中等離子體色散效應相當顯著，本征Si中若有摻雜或注入（或者摻雜和注入皆有使得載流子濃度增加（Ne、Nh則引起子濃度變化的規(guī)律可以由Durde模型給出，n

e2 e h0m 82c2n0m *42c3n(me h* 其中e是電子電量，m*m*分別是電子和空穴的有效質(zhì)量，是其遷移率。對于硅，m*0.26m m*0.39m，m9.110-31kg為電子質(zhì)量。結合大量的實驗數(shù)據(jù)及進一步理論推導，針對 m波長，Sorefetal3] n=nn[8.81022N8.51018(N 08

[8.51018

6.01018Nh（二）可調(diào)諧范圍的理論估計iiii時質(zhì)量作用定律不再成立，但是我們依然可以據(jù)此得到如下大致估計：對于n型摻雜，電子濃度約等于摻5.15.2ΔNe(cm-ΔNh(cmΔNe(cm-ΔNh(cm-Δn(10-appr.appr.appr.appr.16通道共計12.8nm 1019擊穿電擊穿電 4105V/擊穿電壓 最最大L/2R（L為折射率變化區(qū)域長度 5.2*450nm列出折射率變化n與諧振波長變化的關系式2Rneff2RneffLnm(0圖 2

~ neff5.3所示，只有在0.8nm時，2

（三）可調(diào)諧范圍的Rsoft仿真0.8nm12.8nm左右時時所需5.3列出了初步的仿真結果。在仿真時，材料折射率變化的選取盡可能遵循二分法的原00005.41.55μm圖5.5折射率實際變化2.4×104時的諧振峰（漂移了（四）可行性方案A：多環(huán)并聯(lián)結構圖 回切換，這樣8個微環(huán)就能覆蓋1543.6nm~1556.4nm16個通道。123456785.4諧振級次長重合，則各個Drop端的輸出情況如圖5.8和圖5.9所示。0 5.8DropDropDropPower01 5.9DropDrop端口，輸出的光波波長不止一種；對于某種波長的光，在非諧振微環(huán)對應的Drop端口也會有一定輸，則在最理想的情況下，串擾約為19dB。（五）可行性方 B：基于游標原理的雙環(huán)串聯(lián)結5.11aFSR的變化。這種效應與游標卡尺中游標尺與主尺的刻度線發(fā)生相對位移后對準0.8nm，bFSR0.53nmb5.12所示的效果。其他的參數(shù)如表5.4。ab圓環(huán)半徑05.4兩微環(huán)參數(shù)（調(diào)諧前和調(diào)諧后WithoutWithoutCarrierWithCarrier01.549 1.55051.5511.55151.5521.55251.553Wavelength5.12六、工藝技術目前，在化合物半導體（compoundsemiconductors）中，電光調(diào)制器已經(jīng)可以做到高度集成化。在元素半導體（elementarysemiconductor）中，電光調(diào)制器的還難以達到很高的集成度。硅片上的電光調(diào)制技本設計中利用SOI波導較強的光束限制，可以實現(xiàn)在較小尺寸下較為有效的硅電光調(diào)制。pin結型、MOS電容型、反向pn結型。對比這三種結構，pin入是擴散過程，調(diào)制速率比較低，而直流注入工作又使器件具有較大功耗；MOS電容型和反向pn結型是工藝比較復雜，調(diào)制效率也比較低。2005年，CornellXupin結，制作了微環(huán)型200nm12μm，波導尺寸已經(jīng)達到亞微米或亞微米以下，這是采用RIE干法刻蝕技術得到的。增大正向偏壓使微環(huán)諧振波長藍移，直波導內(nèi)光波難以耦合進微環(huán)，光場分較為成模型展開的，在本部分中，首先對SOI的相關技術做簡要介紹，然后就器件的整個制作流程進6.1微環(huán)和pin（一）SOI技術簡介過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI材料具有了體硅所無法比擬的優(yōu)點：可以實現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容SOI將有可能成為深亞微米的低壓、低功耗集成電路的主流技術。的研制成功，降低了SOISOI光波導器件的發(fā)展。目前，SOI加工工藝的改善使SOI波導傳輸損耗不斷降低,最低傳輸損耗可達到0.1dB/cm。SOI光波導芯層和包層之間折射率差較大，而波導邊界散射損耗與折射率差的立方成正比，因此散射Lee等人采用熱氧化方法處理經(jīng)過傳統(tǒng)光刻和RIE(reactiveionetch)刻蝕得到的SOI條形波導(2所示)，測得波導傳輸損耗僅為0.8dB/cm，而過熱氧化方法處理的波導傳輸損耗是32dB/cm。Si經(jīng)過從方向擴散過來的氧化劑分子，使它的氧化速度更快，這樣硅表面峰狀突起被逐漸拉平，去掉SiO26.2SOI脊形波導來說，雖然導波層硅和限制層二氧化硅之間的折射率差很大，波導在垂直方向上彎曲波導內(nèi)光場容易向外側輻射，而在波導外側引入深刻槽(6.3所示)，刻槽界面處的折射率差的一個辦法。本設計不涉及彎曲波導對接，故主要采用圖3的結構來減小SOI彎曲波導的損耗。6.3SOI波導截面幾何形狀不對稱,波導芯層中應力的各向異性分布是導致小截面SOI脊形波導對偏振敏感的主要原因。對脊形波導深刻蝕或在波導上沉積一層SiO2，都能有效降低波導的偏振相關性。采用脊形波Reed等人采用BPM(beampropagationmethod)方法模擬，脊形波導內(nèi)脊高度H1.00μm,刻蝕深度D為6.4SiO2SOISOISOI等人[4]設計了一種雙光柵輔助定向耦合器結構(6.5所示)1550nm的光波從光纖耦合進入250nm厚的波導，耦合效率高達90%，而耦合區(qū)總長度僅2mm。圖 雙光柵輔助SOI定向耦合器結（二）器件制作工藝1、概述圖6.6SOI脊型波導的基本制作2、掩模板制作3、工圖 三種光刻技術：接觸式、接近式和投影 6.8圖6.9烘的典型條件：熱板溫度90°C時間10min。好的參數(shù)：光強19mW/cm2，時間6s，模式為接觸式。圖6.104、刻蝕工藝PlasmaStrike:CF420sccm,CoilPower600W,PlatenPower25W,3s5、長膜工藝（FHD學氣相沉積法這種工藝被很多歐美采用。6.12SiO2薄膜的主流技術：FHD6、電極制作工藝結構示意，圖6.14為一種類似的SOI波導結構的實物截面掃描電鏡圖。圖6.13pin結構載流子注入型電光調(diào)制器截面圖金屬濺射：選用Au或Al作為電極金屬材料。為了增加金屬電極和SiO2的粘合度，在濺射之前，附思考與心得：傳輸矩陣法的疊加法驗證我們定義耦合器的交叉耦合系數(shù)分別為，，和'；前向傳輸耦合系數(shù)分別為t，t，tt'

k1， k2 t' k t'光在環(huán) 1 2--

A t't'ei1t't'eit't'ei2 11 1 1

A'ei21t't'eit't'ei2... 1 1 1 2nd '類比為反射鏡的透射系數(shù)的振幅。這里，假設耦合器在環(huán)形腔中是均勻的。物理上， ''i t'tt't'As

t

1 11 11 11t't'e11

1t't' 1 2 ' k1 1 1t't'1可以看到，這兩個公式又可以類比布里-標準具中的公式。每一個耦合矩陣的四個耦合系數(shù)不tt t ' ' t2k2 tej kkej

s

可以看到，若將上式中表示波導的傳輸?shù)膿Q成2(R)R即由此可以得到傳輸矩陣是合理的：能只能準確到數(shù)量級。有趣的是，我和同樣都借鑒了Soref等人的折射率分析模型，卻在調(diào)諧范圍：SOI、MMRSOI波導材：（0.8nm在0.8nm以內(nèi)的結構參數(shù)，