基于非對(duì)稱(chēng)的馬赫—增德干涉儀的CMOS兼容的熱補(bǔ)償器

摘 要：本文提出一種新型的基于非對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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小；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(méi)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(chēng)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。