InP基高度集成溝槽型馬赫-曾德電光開關及其陣列的研究

《InP基高度集成溝槽型馬赫-曾德電光開關及其陣列的研究》是依託北京工業大學，由劉克擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：InP基高度集成溝槽型馬赫-曾德電光開關及其陣列的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉克
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

高速光開關及其陣列是實現光傳輸路徑變換的關鍵器件之一。目前波導型光開關一維尺度較長或者占據面積相對較大而限制其在光子集成迴路中的套用，因此降低器件尺寸和能耗並提高集成度是國內外研究的熱門課題。本項目旨在開展利於光子集成的InP基新結構高速電光開關單元及其4x4開關陣列集成技術的研究。新型馬赫-曾德開關單元由波導交匯處基於受抑全內反射原理的微納溝槽和實現90度彎曲波導的全內反射槽構成。這一新穎集成結構不但極大減小其單片尺寸、方便器件向二維方向擴展，而且有利於降低開關功耗、提高回響速度和實現較大規模的開關陣列。本項目理論上通過導波光束在微納溝槽邊界效應的相互作用研究其受抑全內反射形成機理和採用時域有限差分法模擬古斯-漢欣位移來實現開關光學結構的設計最佳化，同時探索InP基亞微米和納米尺度開口高深寬比溝槽的製備原理及技術。本項目研究為InP基光子集成迴路提供了一種二維方向高度集成的新思路和新方法。

結題摘要

光互連相對於電互連在頻寬、集成密度和功耗等諸多優勢被業界認為是未來實現板間數據通信的理想方式。光互連技術中器件的高速、小型化和低功耗是集成光子學重要的發展方向。傳統馬赫-曾德爾電光開關及陣列由於尺寸較大或者一維方向長度過長，使得高密度光集成受到一定的限制。同時隨著光電子器件的加工工藝和需求進一步朝著深亞微米和納米尺度發展，100 nm範圍孔、線、槽、柱等結構的製備是實現器件的決定性因素。本項目首先通過研究InP基材料亞波長開口寬度且深寬比高達15:1至20:1的微納溝槽的製備工藝，掌握了基於HBr氣體的100至200 nm範圍開口深槽的低溫刻蝕技術，其工藝條件為10 sccm流量HBr, 2 mTorr壓強, 800W ICP功率, 240W Platen功率和165C溫度。此關鍵工藝技術為深亞微米和納米尺度光電子器件的進一步發展奠定基礎。其次以此工藝基礎實現的基於受抑全內反射原理的新型微納溝槽光子耦合器，其平面尺寸與十字交叉波導面積相當，遠小於Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等常規波導型光耦合器，極大地減小了由此構成的新型器件的尺寸。本項目將溝槽型光子耦合器套用到馬赫-曾德爾干涉儀中，構成了高效緊湊2x2電光開關的新型結構，其尺寸約為40x40 um2。構成的高速低串擾4×4重排無阻塞型光開關陣列，其尺寸僅為340x120 um2，低於同類波導型光開關陣列器件一個數量級。此項成果緩解了傳統器件在一維方向的堆積轉向器件布局可以在二維方向上擴展，為InP基無源/有源光子積體電路提供了一種二維方向高度集成的新思路和新方法。最後成功實現基於金屬-氧化物-半導體構成的混合表面等離激元波長尺寸電吸收型光調製器/開關。通過驅動電壓控制嵌入在氧化物和半導體層之間的氧化銦錫材料的載流子濃度進而調節其光吸收係數來實現光強度調製或者開關功能。器件有效光與物質相互作用尺寸僅有幾個微米長度，實測結果表明具備較低的插入損耗1.0 dB和較高的光學頻寬500 nm。此項研究是對於混合表面等離激元集成技術提法的一個有效驗證，具有重要理論推廣和實際套用意義。