基于化合物半導體材料高速光開關的研究2

 高速光開關及光開關陣列是全光交換的核心器件. 首先給出全內反射型光波導光開關器件的理論分析模型, 并基于GaAs 材料中的載流子注入效應, 采用GaAs-AlGaAs 雙異質結結構,研制了工作波長在1.55 μm 的X 結全內反射型和馬赫曾德干涉型兩種結構的光開關. 測試結果表明, 開關的消光比均超過20 dB, 開關速度達到10 ns 量級.
關鍵詞：光開關，全內反射，多模干涉，載流子注入
光纖通信技術已成為當今通信網絡的支柱, 并形成了巨大的應用市場. 作為光纖通信網絡中關鍵光器件之一, 光開關及光開關陣列一直是研究與開發的重點[1], 要實現光分組交換層次上的全光通信,高速光開關及其大規模陣列是必不可少的器件. 基于各種物理效應和原理與, 已經研制出了多種光開關. 其中除了zui傳統的機械式光開關, 基于微機械技術（MEMS）的光開關、基于二氧化硅或有機聚合物材料熱光效應的光波導開關、基于液晶技術的光開關等也已經實現產品化. 這些光開關在消光比、損耗、偏振依賴以及集成度等性能方面都已經達到相當好的水平, 然而開關速度較慢, 主要為ms 量級. 光分組交換等全光通信網研究需要有ns 量級光開關, 因此高速光開關及其陣列研究一直是人們非常關注的課題.
 

化合物半導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器件, 化合物半導體材料是潛在的zui佳光子集成/光電子集成平臺之一. 30 多年來基于GaAs 和InP 系列化合物半導體材料的光波導器件及相關集成技術一直是集成光波導器件領域的研究主題[2], 也是高速光開關研究的主要方向[3]. 基于化合物半導體材料的高速光波導開關, 工作原理上主要可歸納為利用材料的電光效應、載流子注入效應[4~8]. 由于化合物半導材料的電光系數較小, 基于這一效應的光波導器件或者是尺寸相對較大, 或是驅動電壓較高. 另外, 與鈮酸鋰的電光效應一樣, 化合物半導體的電光效應也是偏振相關的. 在1.31~1.55 μm通信波段, 化合物半導體材料的載流子注入效應所能夠產生的折射率變化比電光效應高二個數量級. 當注入載流子密度達1018cm?3 量級時, 折射率變化可達10?2[9], 而且與波長、偏振無關. 采用載流子注入效應的光開關, 其開關速度主要取決于載流子的壽命, 開關速度很容易達到ns量級[10].

X 結全內反射型開關具有數字響應, 波長、偏振不敏感, 工藝容差大以及器件尺寸小等優點. 基于這些優點, 人們在各種材料上對全內反射型光開關進行了研究[8,11,12]. 化合物半導體中的載流子注入效應很容易產生較大的折射率變化, 基于化合物半導體材料的X 結全內反射型光開關可以采用更大的交叉角, 使得器件結構更為緊湊. 采用了多模干涉（MMI）3 dB 耦合器的馬赫曾德干涉型（MZI）光開關繼承了載流子注入效應和多模干涉結構偏振、波長不敏感[13]的優點, 同時具有低功耗的特點.

本文首先介紹了在全內反射型光開關的分析模型上所做的一些理論工作. 然后介紹了基于GaAs 的載流子效應研制的X 結全內反射型以及馬赫曾德干涉型兩種結構的光開關.
1 全內反射型光開關的理論分析模型全內反射型光波導開關的研究已有30 多年的歷史, 在多種材料上都設計和制作過這種結構的光開關, 但其性能一直不理想. 我們認為, 造成這種結果的一個重要原因是對其工作機制缺乏透徹的理解.如常見采用平面波展開法來計算反射場和透射場,
這種方法對分析自由空間中光束反射問題是有效的,但用它分析全內反射光波導型開關則存在以下問題:
（ⅰ） 平面波展開法要求入射光束的發散角小于光束入射角的余角, 否則展開后會有相當部分的平面波分量無法正常入射到反射區, 只能通過設置入射光束的發散角小于光束入射角的余角這一前提來回避這個問題. 然而在全內反射型光波導開關中, 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） 平面波展開法的另一前提是對反射的分析必須在自由空間. 在波導型光開關中, 光束從傳輸到反射都受到波導的限制, 采用平面波展開法就必然忽略反射區波導的限制作用.
（ⅲ） 平面波展開法要求反射區在垂直于法線的平面內是均勻的, 因此應用這種方法分析全內反射型光波導開關時需要將實際的三維結構等效為二維平面結構. 對于某些實際的開關, 在豎直方向上折射率的分布差異極大, 它會深刻影響光的反射行為.針對上面的3 個問題, 我們建立以下3 個模型,從本質上去理解全內反射型光波導開關的工作機理.

1.1 窄光束掠入射條件下的反射模型
根據平面波展開法, 入射波在進行傅里葉展開后, 橫向波矢kx大于k0n1sin θ0 的平面波分量無法入射到反射面上, 這部分平面波分量的傳輸行為也無法由常規的平面波入射反射理論解釋. 對于普通入射問題, 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, 入射光的發散角將大于入射角的余角（θ > θ0, 如圖1）, 這意味著相當部分的平面波分量無法直接入射. 我們通過嚴格的電磁場理論推導, 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相互作用, 如圖1 所示.
 
在此基礎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, 證實掠入射極限條件下古斯漢欣位移的存在[14~16].
 
1.2 受限空間中光束的反射模型
對于一般的反射問題采用平面波展開法已經有很高的近似度和足夠的指導意義, 但是嚴格來說它只適用于自由空間的反射, 全內反射型光波導光開關實際屬于受限空間的反射. 我們進一步采用模式展開法來
分析受限空間中光束的反射問題. 如圖2 所示, 全內反射型光波導開關劃分為輸入區, 反射區和輸出區3
個區域, 其中反射區可視為芯區折射率能通過電極調節的5 層波導[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并. 實現簡并后, 反射區中相鄰的奇模和偶模的模場在電極的一側完全相同, 另一側則剛好相反. 因此, 所有的模式疊加后, 反射區光場只集中在光入射的那一側. 理論分析證明, 受限空間中反射的本質是模式的簡并.

1.3 折射率下降梯度場中的反射模型
基于載流子注入等效應所導致材料有效折射率的變化, 并非是階躍分布而是漸變的, 因此不能用簡單的二維等效階躍折射率模型來分析. 因為三維波導不同層面光線反射的軌跡也不同, 將導致實際反射光束會被展寬, 為了獲得更有效的全反射, 相應的開關結構必須做出調整. 為此要獲得高性能的光開關特性, 反射區波導也應展寬. 以熱光效應產生的漸變折射率分布場為例, 給出了全內反射型光波導開關的定量計算結果, 這一分析結果不僅與軟件模擬優化值完全吻合, 而且應用于有機聚合物全內反射型熱光光開關器件研制[18]. 實驗證明常用擴展發射區結構的器件的光開關性能大幅度提高[19].
 

2 波導結構設計
GaAs 光波導是高速光開關的材料, 我們設計了AlxGa1?xAs/GaAs/AlxGa1?xAs 雙異質結p-i-n 結構,在光波導全內反射區的垂直方向上進行載流子注入.由于異質結的勢壘作用, 在光波導區的縱向能夠將
載流子很好的限制在i-GaAs. 而i-GaAs 在光學上對應于光波導的芯層部分, 這樣能夠獲得較高的調制
效率. 提高X 結全內反射型光開關性能的關鍵為如何實現局部的高濃度載流子注入, 為此必須實現正對
電極下方的局部p-i-n 結構, 為達到這一目標, 采用了如下方案: 在材料生長時長成p-i-n 結構, 在設計
的局部p-i-n 結附近區域進行氧離子注入隔離. 外延材料通過金屬有機化學氣相淀積（MOCVD）工藝生長.
綜合考慮載流子注入效率以及波導的單模條件, zui終外延材料結構如圖5 所示. 結合實際的工藝條件,
zui終單模波導寬度4 μm, 刻蝕深度1 μm.
 
3 器件結構設計
設計了兩種結構的光開關, X 結全內反射型以及MZI 型. X 結全內反射型開關由一個交叉的X 結和一
個電極組成. 工作原理為: 當信號從端口1（2）輸入,電極不工作時, 信號將直通的從端口4（3）輸出, 此時
開關工作在直通態. 當電極工作于正向載流子注入并產生足夠大的折射率下降, 則輸入信號在電極區發生全內反射, 從而信號從端口3（4）輸出, 此時開關工作在反射態. MZI 型光開關由兩個MMI 3dB 耦合器經干涉臂串聯而成. 工作原理為: 信號從端口1（2）輸入, 經過*個3 dB 耦合器以后, 信號被分成強度相等而相位相差π/2 的兩路信號[13], 如果電極不工作, 則兩路信號經過第二個3 dB 耦合器后從端口4（3）輸出, 此時開關工作在交叉態. 若電極工作并在該波導臂上產生足夠的折射率變化, 將一路信號的相位改變π, 則信號將切換到端口3（4）, 此時開關工作在直通態.器件設計工作波長在通信波段1.55 μm, 假設電
極工作時能夠引入zui高的折射率改變為?0.01, 使用3-D 光束傳輸法（Beam Prop）進行參數優化. 設計參數為交叉角度3°, 電極寬度4 μm, 氧離子注入區寬度為10 μm, 位于電極的兩側, 如圖6（a）所示.

對于MZI 結構, 3 dB 耦合器的尺寸為寬36 μm,長1920 μm, 兩個干涉臂中心間距為12 μm. 單模波
導與多模區的連接處引入長度700 μm, 寬度由4 μm線性展寬到7 μm 的錐形波導, 用于減小3 dB 耦合器的插入損耗. 電極區長度設計為100 μm, 如圖6（b）所示.

4 工藝過程及測試結果
首先使用等離子增強化學氣相淀積（PECVD）工藝生長一層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, 使用反應離子刻蝕工藝形成基本的光開關波導結構, 刻蝕深度1
μm. 接著使用PEVCD工藝生長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, 光刻腐蝕開出電極窗口. 緊接著使用剝離工藝制作P型電極, 在整個外延片的背面蒸鍍N型電極,zui后一步合金化完成工藝制作[20].1.55 μm 波段對器件特性進行測試, 分別使用兩根拉錐光纖將光信號從激光器耦合到輸入波導,將信號從輸出波導耦合到光功率計進行測量. 在測試中未使用偏振控制裝置, 輸入光信號為TE 和TM混合模式. X 結全內反射型光開關的開關特性如圖7（a）所示, 在注入電流為70 mA 時, 器件消光比超過20 dB. MZI 型的開關特性如圖7（b）所示, 

 
在注入電流為80 mA時, 完成了光路的完全切換, 消光比超過25dB. 同時, 我們還對MZI 型的光開關進行了波長、偏振特性的測試. 使用寬帶光源和光譜分析儀對器件的波長特性進行測試, 在1542~1562 nm 波段, 器件具有較平坦的波長響應, 變化幅度（±1.5） dB. 使用窄帶激光器和偏振控制器對器件的偏振特性進行了測試, 器件的偏振相關性為（±0.5） dB.使用1 Mhz 的方波電壓信號替換直流電壓作為開關的驅動信號, 同時用高速光探測器替換光功率計進行X 結全內反射型光開關的速度測試, 測試結果如圖8（a）所示. 根據測試結果, 示波器顯示開關的上升下降沿均在30 ns 左右. 使用的測試裝置中, 信號源的上升沿在10 ns 左右, 如圖8（b）所示, 
 
下降沿類似. 測試中使用的示波器及光探測器也存在一定時延, 延時估算為10 ns 左右. 同時使用的測試電路也為普通的電路, 未進行匹配設計. 綜合考慮, 認為光開關的實際上升、下降沿約為10 ns. 對MZI 型光開關也做了同樣的測試, 測試與結果與X 結型相吻合.