硅光学习-8-硅光波导的简单应用-动态器件

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一、热光效应

硅中的热光（thermo-optic，TO）效应比氧化硅强十倍以上，且硅光波导的尺寸远小于氧化硅波导。因此，基于硅波导热光器件的功耗可以降低到氧化硅器件的十分之一。

为了实现低的功耗，将加热功率集中在波导核心是非常重要的。然而，厚（∼3μm）且宽的氧化硅包层中严重阻碍了热聚在硅波导上。在基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的光开关中，TO效应的早期应用中，加热器是在没有横向热绝缘的厚包层上构建的。在这样的TO开关中，MZI的一个臂的π相位偏移需要几十毫瓦的加热器功率[1]。与典型的二氧化硅基TO开关相比，没有高效加热结构的硅基器件在功耗方面并没有显著改善。

最近，一种非常高效的加热结构被提出[2]。图1显示了加热结构的横截面示意图。在加热结构中，下包层和侧包层被移除，仅由几微米宽的含有硅波导的氧化硅包层通过薄氧化硅梁支撑。

图1、低功耗开关的示意图：(a)俯视图和(b)沿A-A’线的剖视图[2]

通过将该结构用作MZI中的相位移器，加热功率已降低至1 mW以下，如图2所示，其约为传统基于硅的TO开关的1/100。

图2、TE极化的低功耗和传统光开关的切换特性

二、载流子注入

在红外和可见光区域，硅的光学性质受到自由载流子的影响，特别是对于低于带隙（~1.1eV)的光子能量。通过应用Drude近似并假设载流子等离子体频率显著低于光学频率，折射率n和吸收系数α的变化用以下公式表示：

其中e、c、ε0和n分别为基本电荷、真空中光速、真空介电常数和硅的折射率，N、m∗和μ分别为注入载流子密度、载流子有效质量和载流子迁移率。

为了控制波导中自由载流子的浓度，开发了具有p-i-n载流子注入结构的硅光子波导。图3a给出了具有p-i-n载流子注入结构的波导的典型横截面。具有p-i-n结构的波导的典型芯尺寸为400-600nm×200nm。

在波导的两侧，波导具有用于载流子注入的平板区域。尽管其形状类似于传统的硅脊波导，但其几何尺寸远小于传统波导。此外，弯曲半径小于传统脊波导的百分之一。这些几何结构的减小对于具有载流子注入结构的硅光波导的应用来说是非常有利的。例如，器件长度会显著减小，因为可以在超小的核心中增加载流子浓度。在如此短的器件中，由于核心波导尺寸非常小，因此可以显著降低功率消耗，同时保证了载流子传输时间快，因此也可以提高器件带宽。

图3、(a)硅光波导载流子注入结构的横截面图和(b)俯视图

通过应用硅光波导的p-i-n结构的优点，已经开发出各种动态器件，如高速调制器和可变光衰减器（VOA）。

在图3所示的VOA中，波导是一种脊型结构，核心尺寸为600nm×200nm，平板波导厚度为100nm。该结构满足1550纳米红外光的单模条件。厚slab对于减少传播损耗和器件阻抗至关重要。

核心波导的制造工艺与无源波导相同。经过热氧化表面钝化后，通过光刻在平板区定义了n+和p+区域，并掺入磷和硼作为掺杂剂。经过退火激活，掺杂剂扩散后，沉积了一层二氧化硅。每个掺杂区域的掺杂密度约为1020 cm−3。随后，在掺杂区域内构建了铝电极。

图3b显示了带有载流子注入结构的波导，其中可以看到一对接触电极。传播损耗通常小于2 dB/cm。

图4显示了1mm长载流子注入结构的典型电特性。尽管器件长度很短，反向电流却非常低，大约为皮安。这意味着器件的漏电流很小，因此注入的载流子将有效地与传输的光相互作用。

图4、载流子注入结构的实测电流-电压关系

通过将载流子注入到波导核心中，利用上述的自由载流子等离子体效应实现光衰减。图5显示了不同注入电流下10毫米长波导的传输光谱。随着注入电流的增加，光被注入的载流子吸收。在测量的40nm带宽内，衰减的波长相关性非常平坦。使用30dB衰减时，功率约为55 mW，大约是传统脊型器件功耗的一半。

图5、可变光衰减器的实测传输特性

通过串联器件可以降低功耗，这与传统器件中使用的技术类似。图6显示了1毫米长的器件在10纳秒注入脉冲下的光衰减时间响应。在2伏反向偏置操作下，响应时间约为2纳秒，比传统器件快约100倍。

图6、可变光衰减器的测量时间响应

考虑到载流子注入结构的波导线性传播损耗，在10mm器件上的片上插入损耗为2 dB，在1mm器件上为0.2 dB，这些值可以满足实际应用要求的标准。