基于化合物半導(dǎo)體材料高速光開(kāi)關(guān)的研究
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摘要: 高速光開(kāi)關(guān)及光開(kāi)關(guān)陣列是全光交換的核心器件. 首先給出全內(nèi)反射型光波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)器件的理論分析模型, 并基于GaAs 材料中的載流子注入效應(yīng), 采用GaAs-AlGaAs 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),研制了工作波長(zhǎng)在1.55 μm 的X 結(jié)全內(nèi)反射型和馬赫曾德干涉型兩種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān). 測(cè)試結(jié)果表明, 開(kāi)關(guān)的消光比均超過(guò)20 dB, 開(kāi)關(guān)速度達(dá)到10 ns 量級(jí).
關(guān)鍵詞：光開(kāi)關(guān)，全內(nèi)反射，多模干涉，載流子注入
光纖通信技術(shù)已成為當(dāng)今通信網(wǎng)絡(luò)的支柱, 并形成了巨大的應(yīng)用市場(chǎng). 作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵光器件之一, 光開(kāi)關(guān)及光開(kāi)關(guān)陣列一直是研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)[1], 要實(shí)現(xiàn)光分組交換層次上的全光通信,高速光開(kāi)關(guān)及其大規(guī)模陣列是*的器件. 基于各種物理效應(yīng)和原理與, 已經(jīng)研制出了多種光開(kāi)關(guān). 其中除了zui傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān), 基于微機(jī)械技術(shù)（MEMS）的光開(kāi)關(guān)、基于二氧化硅或有機(jī)聚合物材料熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)、基于液晶技術(shù)的光開(kāi)關(guān)等也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化. 這些光開(kāi)關(guān)在消光比、損耗、偏振依賴以及集成度等性能方面都已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)好的水平, 然而開(kāi)關(guān)速度較慢, 主要為ms 量級(jí). 光分組交換等全光通信網(wǎng)研究需要有ns 量級(jí)光開(kāi)關(guān), 因此高速光開(kāi)關(guān)及其陣列研究一直是人們非常關(guān)注的課題.
 

化合物半導(dǎo)體材料不僅用于高速微電子器件,而且廣泛用于光電子器件及高速光波導(dǎo)器件, 化合物半導(dǎo)體材料是潛在的*光子集成/光電子集成平臺(tái)之一. 30 多年來(lái)基于GaAs 和InP 系列化合物半導(dǎo)體材料的光波導(dǎo)器件及相關(guān)集成技術(shù)一直是集成光波導(dǎo)器件領(lǐng)域的研究主題[2], 也是高速光開(kāi)關(guān)研究的主要方向[3]. 基于化合物半導(dǎo)體材料的高速光波導(dǎo)開(kāi)關(guān), 工作原理上主要可歸納為利用材料的電光效應(yīng)、載流子注入效應(yīng)[4~8]. 由于化合物半導(dǎo)材料的電光系數(shù)較小, 基于這一效應(yīng)的光波導(dǎo)器件或者是尺寸相對(duì)較大, 或是驅(qū)動(dòng)電壓較高. 另外, 與鈮酸鋰的電光效應(yīng)一樣, 化合物半導(dǎo)體的電光效應(yīng)也是偏振相關(guān)的. 在1.31~1.55 μm通信波段, 化合物半導(dǎo)體材料的載流子注入效應(yīng)所能夠產(chǎn)生的折射率變化比電光效應(yīng)高二個(gè)數(shù)量級(jí). 當(dāng)注入載流子密度達(dá)1018cm−3 量級(jí)時(shí), 折射率變化可達(dá)10−2[9], 而且與波長(zhǎng)、偏振無(wú)關(guān). 采用載流子注入效應(yīng)的光開(kāi)關(guān), 其開(kāi)關(guān)速度主要取決于載流子的壽命, 開(kāi)關(guān)速度很容易達(dá)到ns量級(jí)[10].

X 結(jié)全內(nèi)反射型開(kāi)關(guān)具有數(shù)字響應(yīng), 波長(zhǎng)、偏振不敏感, 工藝容差大以及器件尺寸小等優(yōu)點(diǎn). 基于這些優(yōu)點(diǎn), 人們?cè)诟鞣N材料上對(duì)全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了研究[8,11,12]. 化合物半導(dǎo)體中的載流子注入效應(yīng)很容易產(chǎn)生較大的折射率變化, 基于化合物半導(dǎo)體材料的X 結(jié)全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)可以采用更大的交叉角, 使得器件結(jié)構(gòu)更為緊湊. 采用了多模干涉（MMI）3 dB 耦合器的馬赫曾德干涉型（MZI）光開(kāi)關(guān)繼承了載流子注入效應(yīng)和多模干涉結(jié)構(gòu)偏振、波長(zhǎng)不敏感[13]的優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)具有低功耗的特點(diǎn).

本文首先介紹了在全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)的分析模型上所做的一些理論工作. 然后介紹了基于GaAs 的載流子效應(yīng)研制的X 結(jié)全內(nèi)反射型以及馬赫曾德干涉型兩種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān).
1 全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)的理論分析模型全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的研究已有30 多年的歷史, 在多種材料上都設(shè)計(jì)和制作過(guò)這種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān), 但其性能一直不理想. 我們認(rèn)為, 造成這種結(jié)果的一個(gè)重要原因是對(duì)其工作機(jī)制缺乏透徹的理解.如常見(jiàn)采用平面波展開(kāi)法來(lái)計(jì)算反射場(chǎng)和透射場(chǎng),
這種方法對(duì)分析自由空間中光束反射問(wèn)題是有效的,但用它分析全內(nèi)反射光波導(dǎo)型開(kāi)關(guān)則存在以下問(wèn)題:
（ⅰ） 平面波展開(kāi)法要求入射光束的發(fā)散角小于光束入射角的余角, 否則展開(kāi)后會(huì)有相當(dāng)部分的平面波分量無(wú)法正常入射到反射區(qū), 只能通過(guò)設(shè)置入射光束的發(fā)散角小于光束入射角的余角這一前提來(lái)回避這個(gè)問(wèn)題. 然而在全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)中, 由于入射光為窄光束, 且入射角接90°, 往往不滿足這一條件.
（ⅱ） 平面波展開(kāi)法的另一前提是對(duì)反射的分析必須在自由空間. 在波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)中, 光束從傳輸?shù)椒瓷涠际艿讲▽?dǎo)的限制, 采用平面波展開(kāi)法就必然忽略反射區(qū)波導(dǎo)的限制作用.
（ⅲ） 平面波展開(kāi)法要求反射區(qū)在垂直于法線的平面內(nèi)是均勻的, 因此應(yīng)用這種方法分析全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)時(shí)需要將實(shí)際的三維結(jié)構(gòu)等效為二維平面結(jié)構(gòu). 對(duì)于某些實(shí)際的開(kāi)關(guān), 在豎直方向上折射率的分布差異極大, 它會(huì)深刻影響光的反射行為.針對(duì)上面的3 個(gè)問(wèn)題, 我們建立以下3 個(gè)模型,從本質(zhì)上去理解全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的工作機(jī)理.

1.1 窄光束掠入射條件下的反射模型
根據(jù)平面波展開(kāi)法, 入射波在進(jìn)行傅里葉展開(kāi)后, 橫向波矢kx大于k0n1sin θ0 的平面波分量無(wú)法入射到反射面上, 這部分平面波分量的傳輸行為也無(wú)法由常規(guī)的平面波入射反射理論解釋. 對(duì)于普通入射問(wèn)題, 這部分平面波分量的幅度很小, 因而可以忽略.但在窄光束掠入射條件下, 入射光的發(fā)散角將大于入射角的余角（θ > θ0, 如圖1）, 這意味著相當(dāng)部分的平面波分量無(wú)法直接入射. 我們通過(guò)嚴(yán)格的電磁場(chǎng)理論推導(dǎo), 證明了kx>k0n1sin θ0 的平面波分量是按照入射反射模式的逆模式與反射區(qū)相互作用, 如圖1 所示.
 
在此基礎(chǔ)上我們提出了廣義的平面波反射和透射的研究思想（如（1）~（2）式）. 并在該研究思想下, 證實(shí)掠入射極限條件下古斯?jié)h欣位移的存在[14~16].
 
1.2 受限空間中光束的反射模型
對(duì)于一般的反射問(wèn)題采用平面波展開(kāi)法已經(jīng)有很高的近似度和足夠的指導(dǎo)意義, 但是嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它只適用于自由空間的反射, 全內(nèi)反射型光波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)實(shí)際屬于受限空間的反射. 我們進(jìn)一步采用模式展開(kāi)法來(lái)
分析受限空間中光束的反射問(wèn)題. 如圖2 所示, 全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)劃分為輸入?yún)^(qū), 反射區(qū)和輸出區(qū)3
個(gè)區(qū)域, 其中反射區(qū)可視為芯區(qū)折射率能通過(guò)電極調(diào)節(jié)的5 層波導(dǎo)[17]. 不同于自由空間, 受限空間中光束的反射依賴于奇階模和偶階模之間的簡(jiǎn)并. 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)并后, 反射區(qū)中相鄰的奇模和偶模的模場(chǎng)在電極的一側(cè)*相同, 另一側(cè)則剛好相反. 因此, 所有的模式疊加后, 反射區(qū)光場(chǎng)只集中在光入射的那一側(cè). 理論分析證明, 受限空間中反射的本質(zhì)是模式的簡(jiǎn)并.

1.3 折射率下降梯度場(chǎng)中的反射模型
基于載流子注入等效應(yīng)所導(dǎo)致材料有效折射率的變化, 并非是階躍分布而是漸變的, 因此不能用簡(jiǎn)單的二維等效階躍折射率模型來(lái)分析. 因?yàn)槿S波導(dǎo)不同層面光線反射的軌跡也不同, 將導(dǎo)致實(shí)際反射光束會(huì)被展寬, 為了獲得更有效的全反射, 相應(yīng)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)必須做出調(diào)整. 為此要獲得高性能的光開(kāi)關(guān)特性, 反射區(qū)波導(dǎo)也應(yīng)展寬. 以熱光效應(yīng)產(chǎn)生的漸變折射率分布場(chǎng)為例, 給出了全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的定量計(jì)算結(jié)果, 這一分析結(jié)果不僅與軟件模擬優(yōu)化值*吻合, 而且應(yīng)用于有機(jī)聚合物全內(nèi)反射型熱光光開(kāi)關(guān)器件研制[18]. 實(shí)驗(yàn)證明常用擴(kuò)展發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)的器件的光開(kāi)關(guān)性能大幅度提高[19].
 

2 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
GaAs 光波導(dǎo)是高速光開(kāi)關(guān)的材料, 我們?cè)O(shè)計(jì)了AlxGa1−xAs/GaAs/AlxGa1−xAs 雙異質(zhì)結(jié)p-i-n 結(jié)構(gòu),在光波導(dǎo)全內(nèi)反射區(qū)的垂直方向上進(jìn)行載流子注入.由于異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘作用, 在光波導(dǎo)區(qū)的縱向能夠?qū)?br />載流子很好的限制在i-GaAs. 而i-GaAs 在光學(xué)上對(duì)應(yīng)于光波導(dǎo)的芯層部分, 這樣能夠獲得較高的調(diào)制
效率. 提高X 結(jié)全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)性能的關(guān)鍵為如何實(shí)現(xiàn)局部的高濃度載流子注入, 為此必須實(shí)現(xiàn)正對(duì)
電極下方的局部p-i-n 結(jié)構(gòu), 為達(dá)到這一目標(biāo), 采用了如下方案: 在材料生長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)成p-i-n 結(jié)構(gòu), 在設(shè)計(jì)
的局部p-i-n 結(jié)附近區(qū)域進(jìn)行氧離子注入隔離. 外延材料通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）工藝生長(zhǎng).
綜合考慮載流子注入效率以及波導(dǎo)的單模條件, zui終外延材料結(jié)構(gòu)如圖5 所示. 結(jié)合實(shí)際的工藝條件,
zui終單模波導(dǎo)寬度4 μm, 刻蝕深度1 μm.
 
3 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān), X 結(jié)全內(nèi)反射型以及MZI 型. X 結(jié)全內(nèi)反射型開(kāi)關(guān)由一個(gè)交叉的X 結(jié)和一
個(gè)電極組成. 工作原理為: 當(dāng)信號(hào)從端口1（2）輸入,電極不工作時(shí), 信號(hào)將直通的從端口4（3）輸出, 此時(shí)
開(kāi)關(guān)工作在直通態(tài). 當(dāng)電極工作于正向載流子注入并產(chǎn)生足夠大的折射率下降, 則輸入信號(hào)在電極區(qū)發(fā)生全內(nèi)反射, 從而信號(hào)從端口3（4）輸出, 此時(shí)開(kāi)關(guān)工作在反射態(tài). MZI 型光開(kāi)關(guān)由兩個(gè)MMI 3dB 耦合器經(jīng)干涉臂串聯(lián)而成. 工作原理為: 信號(hào)從端口1（2）輸入, 經(jīng)過(guò)*個(gè)3 dB 耦合器以后, 信號(hào)被分成強(qiáng)度相等而相位相差π/2 的兩路信號(hào)[13], 如果電極不工作, 則兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)3 dB 耦合器后從端口4（3）輸出, 此時(shí)開(kāi)關(guān)工作在交叉態(tài). 若電極工作并在該波導(dǎo)臂上產(chǎn)生足夠的折射率變化, 將一路信號(hào)的相位改變π, 則信號(hào)將切換到端口3（4）, 此時(shí)開(kāi)關(guān)工作在直通態(tài).器件設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)在通信波段1.55 μm, 假設(shè)電
極工作時(shí)能夠引入zui高的折射率改變?yōu)?minus;0.01, 使用3-D 光束傳輸法（Beam Prop）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化. 設(shè)計(jì)參數(shù)為交叉角度3°, 電極寬度4 μm, 氧離子注入?yún)^(qū)寬度為10 μm, 位于電極的兩側(cè), 如圖6（a）所示.

對(duì)于MZI 結(jié)構(gòu), 3 dB 耦合器的尺寸為寬36 μm,長(zhǎng)1920 μm, 兩個(gè)干涉臂中心間距為12 μm. 單模波
導(dǎo)與多模區(qū)的連接處引入長(zhǎng)度700 μm, 寬度由4 μm線性展寬到7 μm 的錐形波導(dǎo), 用于減小3 dB 耦合器的插入損耗. 電極區(qū)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為100 μm, 如圖6（b）所示.

4 工藝過(guò)程及測(cè)試結(jié)果
首先使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）工藝生長(zhǎng)一層300 nm 厚的SiO2 作為干法刻蝕的掩膜,然后光刻、濕法腐蝕出干法刻蝕的掩膜, 使用反應(yīng)離子刻蝕工藝形成基本的光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)結(jié)構(gòu), 刻蝕深度1
μm. 接著使用PEVCD工藝生長(zhǎng)1 μm厚的SiO2 作為注氧掩膜, 然后光刻, 干法刻蝕出注氧掩膜. 隨后進(jìn)行氧離子注入. 注氧工藝完成以后, 濕法腐蝕去掉注氧掩膜, 再濺射一層200 nm厚的SiO2 用于防止引線的漏電流, 光刻腐蝕開(kāi)出電極窗口. 緊接著使用剝離工藝制作P型電極, 在整個(gè)外延片的背面蒸鍍N型電極,zui后一步合金化完成工藝制作[20].1.55 μm 波段對(duì)器件特性進(jìn)行測(cè)試, 分別使用兩根拉錐光纖將光信號(hào)從激光器耦合到輸入波導(dǎo),將信號(hào)從輸出波導(dǎo)耦合到光功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量. 在測(cè)試中未使用偏振控制裝置, 輸入光信號(hào)為TE 和TM混合模式. X 結(jié)全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性如圖7（a）所示, 在注入電流為70 mA 時(shí), 器件消光比超過(guò)20 dB. MZI 型的開(kāi)關(guān)特性如圖7（b）所示, 

 
在注入電流為80 mA時(shí), 完成了光路的*切換, 消光比超過(guò)25dB. 同時(shí), 我們還對(duì)MZI 型的光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了波長(zhǎng)、偏振特性的測(cè)試. 使用寬帶光源和光譜分析儀對(duì)器件的波長(zhǎng)特性進(jìn)行測(cè)試, 在1542~1562 nm 波段, 器件具有較平坦的波長(zhǎng)響應(yīng), 變化幅度（±1.5） dB. 使用窄帶激光器和偏振控制器對(duì)器件的偏振特性進(jìn)行了測(cè)試, 器件的偏振相關(guān)性為（±0.5） dB.使用1 Mhz 的方波電壓信號(hào)替換直流電壓作為開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào), 同時(shí)用高速光探測(cè)器替換光功率計(jì)進(jìn)行X 結(jié)全內(nèi)反射型光開(kāi)關(guān)的速度測(cè)試, 測(cè)試結(jié)果如圖8（a）所示. 根據(jù)測(cè)試結(jié)果, 示波器顯示開(kāi)關(guān)的上升下降沿均在30 ns 左右. 使用的測(cè)試裝置中, 信號(hào)源的上升沿在10 ns 左右, 如圖8（b）所示, 
 
下降沿類似. 測(cè)試中使用的示波器及光探測(cè)器也存在一定時(shí)延, 延時(shí)估算為10 ns 左右. 同時(shí)使用的測(cè)試電路也為普通的電路, 未進(jìn)行匹配設(shè)計(jì). 綜合考慮, 認(rèn)為光開(kāi)關(guān)的實(shí)際上升、下降沿約為10 ns. 對(duì)MZI 型光開(kāi)關(guān)也做了同樣的測(cè)試, 測(cè)試與結(jié)果與X 結(jié)型相吻合.

5 結(jié)論
本文首先介紹了我們?cè)谌珒?nèi)反射型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)分析模型方面的研究工作, 重點(diǎn)報(bào)道了在GaAs 基底上研制了工作波長(zhǎng)在1.55 μm 的X結(jié)全內(nèi)反射型以及馬赫曾德干涉型（MZI）兩種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān). 根據(jù)初步的測(cè)試結(jié)果, 驅(qū)動(dòng)電流在70 mA 左右, 兩種光開(kāi)關(guān)的消光比均超過(guò)20 dB, 開(kāi)關(guān)的上升下降沿小于10 ns.

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