硅基载流子注入型全内反射光波导开关的研究

【摘要】： 光开关是光交换等系统中的关键器件。长期以来,人们提出了很多制作光开关的方法。其中全内反射光开关,以其数字响应、波长偏振不敏感,长度较短等特点得到了人们的普遍关注。同时硅基CMOS工艺在微电子领域非常成熟,被普遍用于微电子超大规模集成电路的制作过程中。如果能用硅基CMOS工艺来制作集成光电子器件,那么将会使集成光学在产业化的道理上迈进一大步。 本文的工作是基于标准CMOS工艺和SOI材料制作小截面的全内反射光开关。在试制过程中我们发现,传统的大截面的全内反射光开关的制作方法在小截面的全内反射光开关制作过程中会存在许多问题,主要是反射区上注入铝电极结构对光开关器件静态特性的严重影响以及热光效应对动态性能的影响等,并针对这问题开展研究和提出改进光开关结构。 对金属电极对静态性能的影响与热光效应对动态性能的影响进行了定量的分析。分析表明,对于直接在脊波导上制作注入电极,由于金属电极的等效复折射率影响,使得全内反射光开关在不加电压的静态状态下存在一个固有的“静态镜面”,从而使光路发生偏转而不能从直通输出端口输出。如果为了消除这一现象而加大分叉角的话,这又将需要大的注入载流子浓度,这样由于严重的温升导致的热光效应作用,使得光开关性能降低。这些现象在大截面的全内反射光开关中影响不大,但是当截面较小时(波导层小于2.5μm厚度),这些作用将严重影响器件性能,甚至使其不能正常工作。 为了消除上述两点的影响,本文提出一种改进型的全内反射光开关的设计思路。该器件采用一次深刻蚀与一次浅刻蚀,从而屏蔽掉“静态镜面”的影响。同时,这种设计可以使得电极宽厚的限制性变小,从而可以通过加宽电极以实现较好的散热,减小热光效应的影响。