摘 要:本文提出一種新型的基于非對(duì)稱的馬赫-增德干涉儀的CMOS兼容的熱補(bǔ)償器,能補(bǔ)償大多數(shù)具有正熱光效應(yīng)的硅基光電子集成器件,雖然該熱補(bǔ)償器由硅基的馬赫-增德干涉儀組成,但卻具有負(fù)熱光系數(shù),且可直接通過(guò)現(xiàn)有CMOS工藝制作,為半導(dǎo)體光集成器件提供一種熱穩(wěn)定方式。
關(guān)鍵詞:硅基光電子;集成光路;CMOS工藝;負(fù)熱光系數(shù);熱補(bǔ)償器
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.049
1 引言
與一般的硅基光電子集成器件相比,該基于非對(duì)稱的馬赫-增德干涉儀的熱補(bǔ)償器,不僅僅可以兼容傳統(tǒng)CMOS工藝,還能提供負(fù)熱光系數(shù),將它與傳統(tǒng)的硅基光波導(dǎo)集成在一起,通過(guò)合理的設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)不受環(huán)境溫度的影響,這為集成光路的設(shè)計(jì)不受外界溫度影響提供了良好的基礎(chǔ)。
2 原理
熱補(bǔ)償器由兩個(gè)不同臂的馬赫-增德干涉儀組成,兩臂都為SOI基(即基于絕緣體的硅晶片)條形光波導(dǎo),第一臂和第二臂的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2,整個(gè)馬赫-增德干涉儀是非對(duì)稱的;假設(shè)輸入馬赫-增德干涉儀的光場(chǎng)為Ein,光波長(zhǎng)為λ,經(jīng)過(guò)3dB分束器(可以由多模干涉儀組成)后被分為相等的兩部分E1和E2,再分別經(jīng)過(guò)第一、二臂之后輸出E3=a1E1exp(iθ1)和E4=a2E2exp(iθ2),這里,a1和a2分別是第一臂和第二臂的傳輸損耗系數(shù),第一臂和第二臂的光有效折射率分別為neff1和neff2,由此可計(jì)算出兩臂的傳輸相位θ1和θ2;
3 仿真實(shí)驗(yàn)分析
下面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償器,并利用該補(bǔ)償器補(bǔ)償一段普通光波導(dǎo)的熱光效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)不受外界環(huán)境溫度的影響;普通光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=28.4um,寬度為W=0.45um,補(bǔ)償器的兩個(gè)臂的長(zhǎng)度和寬度分別為:L1=2um,W1=0.27um和L2=16.7um,W2=0.45um,以上所有光波導(dǎo)都是在一種半導(dǎo)體材料的SOI基底上的條形光波導(dǎo),頂硅厚度為250nm,底部二氧化硅層厚度為3um,硅和二氧化硅的熱光系數(shù)分別為1.86×10-4/K和1×10-5/K,使用CMOSOL軟件通過(guò)有限元方法仿真馬赫-增德干涉儀的第一臂和第二臂光波導(dǎo)中TE基模,分別計(jì)算二者的有效折射率隨溫度的變化值,,,從而得到c=1/22,合理選擇第一臂和第二臂的損耗系數(shù)使得b=0.64,輸入光波長(zhǎng)為1550nm,將上述值代入公式(5),并通過(guò)MATLAB仿真得到補(bǔ)償器的相位隨溫度的增加的改變值,如圖 1中的黑線所示,很明顯可看出,隨著溫度的增加,補(bǔ)償器的相位改變量在變??;采用同樣的仿真方式,得到普通光波導(dǎo)的相位變化隨溫度的改變?nèi)鐖D 1中的紅線所示,其相位改變量隨著溫度的增加在增加,而如果利用設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償該普通光波導(dǎo),也就是將補(bǔ)償器直接連接在該普通光波導(dǎo)之后,形成一個(gè)系統(tǒng),該系統(tǒng)整體隨溫度增加的相位改變量如圖 1中的藍(lán)線所示,由圖可知,該藍(lán)線非常接近粉色的零值線,隨著環(huán)境溫度從25℃增加到52℃,該系統(tǒng)的相位改變量一直保持在零值附近,這也就是說(shuō),隨著外界環(huán)境溫度的改變,該系統(tǒng)的整體相位并沒有發(fā)生改變,因此,溫度的改變不會(huì)影響該系統(tǒng)的光學(xué)性能,系統(tǒng)熱穩(wěn)定性高。
4 結(jié)語(yǔ)
在本文中,設(shè)計(jì)了一種基于非對(duì)稱的馬赫-增德干涉儀的CMOS兼容的熱補(bǔ)償器,由于該熱補(bǔ)償器具有負(fù)的熱補(bǔ)償系數(shù),且CMOS工藝兼容,因而能為大多數(shù)集成光器件提供溫度補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定,不受外界環(huán)境溫度改變的影響。
作者簡(jiǎn)介:龍祁峰(1989-),男,碩士,實(shí)習(xí)研究員,主要從事光通信技術(shù)方面的審查工作。