基于SOI悬浮波导的中红外热光调制器的分析

檀亚松，余 辉，郝寅雷，杨建义，江晓清

基于SOI悬浮波导的中红外热光调制器的分析

檀亚松，余 辉，郝寅雷，杨建义，江晓清

（浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州310027）

设计了一种基于SOI（Silicon-On-Insulator）单模中红外低损耗悬浮脊波导的MMI-MZI型热光调制器。对单模悬浮脊波导和基于悬浮波导的调制器的参数进行了分析，并给出了工艺实现方法。在波长5.4μm，采用3D－BPM（Beam Propagation Method）方法对热光调制器的模型进行了传输特性的仿真。结果表明在加热电极长度为3 mm时，热光作用区通过很小的温度变化ΔT＝5.3℃时，可以实现消光比为－40 dB。该中红外器件尺寸大，设计和制作容差大，在中红外硅基光子学有着重要的应用。

中红外；悬浮波导；热光效应；调制器；集成光学

1 引 言

由于中红外波段在众多领域有着潜在的应用，如化学－生物－物理传感、医药、自由空间光通讯、热成像和红外军事对抗等。中红外（MIR）硅基光子学在过去的几年里吸引着越来越多的关注［1－2］，其最新进展有：基于蓝宝石上硅（SOS）材料的工作波长为4.50μm、5.08μm、5.5μm的中红外光波导器件［3－5］，传输损耗分别为4.3 dB／cm、1.9 dB／cm、4 dB／cm；基于SOI材料的工作波长为3.39μm、3.73μm、3.8μm的中红外脊波导［6－7］，传输损耗分别为0.6－0.7 dB／cm、1.5±0.2 dB／cm、1.8±0.2 dB／cm；硅基工作波长为10.6μm的多模干涉功分器［8］；基于SOI材料的悬浮脊波导［9］，在工作波长2.75μm的传输损耗为3.0±0.7dB／cm。

迄今为止，绝缘体上硅（SOI）材料已被广泛地应用在光电子集成电路（PIC）和光电集成电路（OE-ICs）中。然而SOI波导的工作波长范围受到埋氧层（BOX）的透明窗口（低于2.6μm、3.4μm附近）的限制。为了克服这一限制，蓝宝石上硅（SOS）材料作为一种替代方案被用于中红外波导器件的制作。然而，蓝宝石衬底在大于6.0μm的波段也有大的损耗。此外，SOS晶圆有更多的缺陷，制造流程复杂且比商用SOI更昂贵。而基于SOI材料的悬浮脊波导［9］通过氢氟酸溶液腐蚀掉波导正下方的埋氧层，消除了埋氧层的影响，使得SOI材料低损耗工作波长覆盖到中红外和远红外波段（2.2～8.0μm和25～200μm，即硅的低吸收损耗波段）。

中红外调制器在中红外自由空间光通信、中红外光学传感、和中红外军事对抗领域有着至关重要的应用。本文介绍了基于SOI悬浮波导的工作波长为5.4μm的中红外多模干涉马赫－曾德型（MMI-MZI）热光调制器的设计，对器件的结构、参数进行了数值分析和软件模拟，分析了硅的中红外热光调制效应，给出了工艺实现方法。

2 工作原理

SOI多模干涉马赫－曾德型调制器是一个基于SOI材料的脊型波导制作成的对称型马赫－曾德干涉仪，它包含了一个1×2多模干涉分束器、传输臂、加热电极、一个1×2多模干涉合束器，如图1所示。

图1 MMI－MZI型热光调制器的结构示意图Fig.1 Schematic configuration of MMI-MZI thermo-opticmodulator

马赫－曾德型调制器的基本工作原理：输入的光场经过3 dB分束器分束后在两臂中传输，相移臂上的加热电极通过硅的热光效应改变光束的传播常数，使得输入到合束器的两束光之间有相位差，当两束光波在合束器中发生相互干涉时，不同的相位差就会干涉输出不同的光功率。通过控制相位差就能实现强度调制。

由式（1）可得实现π相移所需的温度变化为：

假设输入光功率被MMI均匀分束，当两臂相位差为Δφ时，调制器的输出功率为：

由式（1）、式（2）、式（3）可知，对波导进行适当的温度调节，就能达到强度调制的目的。

3 器件的设计

根据脊波导的单模条件［11］，设计中红外λ＝5.4μm单模脊波导，W＝4μm、H＝5μm、h＝2.5μm。图2（b）是对应脊波导的模场分布，波导具有良好的单模特性。选择较大的刻蚀深度是为了增强对光场的有效限制，从而减少波导的弯曲损耗。

图2 脊波导截面示意图及模场分布仿真图Fig.2 Cross-sectional schematic configuration and computed mode profile of rib waveguide

如图3所示，在脊波导两侧开出与脊波导平行的周期排列的方孔，通过方孔掏去脊波导正下方高损耗的埋氧层，从而实现中红外悬浮光波导。具体实施方案如下：首先在SOI片上光刻刻蚀出脊波导（如图3（a）），然后在脊波导的侧边光刻出周期排列的方孔（如图3（b）），将方孔处深刻蚀到埋氧层（如图3（c）），最终将波导器件放入氢氟酸溶液中浸泡，使得氢氟酸溶液通过小孔掏空脊波导正下方的埋氧层（如图3（d））。

图3 悬浮光波导的制作方法（1－硅、2－二氧化硅、3－方孔，4空气，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）

根据耦合模理论［12］，周期性方孔对波导模式的影响可以通过布拉格光栅耦合系数κ来表征：

其中，E为电场强度；k0为真空中的传播常数；Δneff为方孔引起的有效折射率的变化。取W2＝L1＝L2＝4μm，对于图2所示脊波导结构，利用有限元法仿真得到当W1＝4μm时，κ趋近于0。

1×2多模干涉分束、合束器的设计利用了多模干涉型器件的自映像原理［13］，在多模波导中，由于多个导模相互干涉使得沿传播方向会周期性的出现输入场的一个或多个映像。对图2所示脊波导的刻蚀深度，取多模波导宽度为30μm，用BPM算法仿真得多模波导长度为313μm时可以得到两个输出映像，如图4所示。

图4 1×2多模干涉功分器的传输特性仿真Fig.4 Transmission characteristics simulation of1×2multimode interferometer

最终器件的示意图如图5所示，其实现过程为：首先在SOI片上刻蚀出器件的波导结构；然后在波导的两侧边开出小孔、两传输臂间隔中央开矩形长孔，将小孔和长孔处刻蚀到埋氧层；将SOI片放入氢氟酸溶液中浸泡，使得氢氟酸溶液通过小孔掏空脊波导正下方的埋氧层从而形成悬浮波导，而长孔出形成的凹槽将作为隔热槽，将减少两臂之间的热串扰；最后在调整臂的侧边利用热蒸发的方法镀上铝电极。

图5 基于SOI的单模中红外低损耗悬浮脊波导的MMI-MZI型热光调制器Fig.5 MMI-MZI thermo-opticmodulator based on SOI（Silicon-On-Insulator）single-modemid-infrared low-loss suspended rib waveguide

4 调制特性的BPM仿真

采用3D－BPM法对上述热光调制器的传输特性进行仿真，如图6所示，可以很直观地看出在未加调制和发生π相移调制这两这情况行下光场的传输情况。

图6 热光调制器的传输特性Fig.6 Transmission characteristics simulation of the thermo-optic modulator

图7 输出功率随调制臂温度变化而变化的特征曲线Fig.7 Transmission dependence on temperature variation of the thermo－optic area

对调制器的热光效应进行仿真得到如图7所示输出功率随调制臂温度变化而变化的特征曲线，相移臂L＝3000μm时，当ΔT＝5.3℃时，相移臂发生π相移，输出功率最小，最大消光比可达－40 dB。

5 结 论

本文介绍了基于SOI悬浮波导的工作波长为5.4μm的中红外多模干涉马赫－曾德型（MMIMZI）热光调制器的设计和制作方法。详细说明了中红外悬浮波导的制作方法，理论仿真了器件的参数，BPM仿真结果表明在热光作用区ΔT＝5.3 K时，最大消光比可达40 dB。该种波导和器件的设计和分析方法同样适用于中红外2.2～8μm波段。器件结构简单，工艺容差大，易于实现。

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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

国家自然科学基金项目（No.61177055）和国家重大基础研究发展计划项目（No.2013CB6132105）资助。

檀亚松（1988－），男，硕士研究生，主要从事集成光学波导器件的研究。E-mail：542952646＠qq.com

2013-03-28