基于非對稱的馬赫—增德干涉儀的CMOS兼容的熱補償器

摘 要：本文提出一種新型的基于非對稱的馬赫-增德干涉儀的CMOS兼容的熱補償器，能補償大多數具有正熱光效應的硅基光電子集成器件，雖然該熱補償器由硅基的馬赫-增德干涉儀組成，但卻具有負熱光系數，且可直接通過現有CMOS工藝制作，為半導體光集成器件提供一種熱穩定方式。

關鍵詞：硅基光電子；集成光路；CMOS工藝；負熱光系數；熱補償器

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，該基于非對稱的馬赫-增德干涉儀的熱補償器，不僅僅可以兼容傳統CMOS工藝，還能提供負熱光系數，將它與傳統的硅基光波導集成在一起，通過合理的設計，可以實現整個系統不受環境溫度的影響，這為集成光路的設計不受外界溫度影響提供了良好的基礎。

2 原理

熱補償器由兩個不同臂的馬赫-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，第一臂和第二臂的長度分別為L1和L2，整個馬赫-增德干涉儀是非對稱的；假設輸入馬赫-增德干涉儀的光場為Ein，光波長為λ，經過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，再分別經過第一、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，第一臂和第二臂的光有效折射率分別為neff1和neff2，由此可計算出兩臂的傳輸相位θ1和θ2；

3 仿真實驗分析

下面設計實現熱補償器，并利用該補償器補償一段普通光波導的熱光效應，從而實現整個系統不受外界環境溫度的影響；普通光波導的長度為L=28.4um，寬度為W=0.45um，補償器的兩個臂的長度和寬度分別為：L1=2um，W1=0.27um和L2=16.7um，W2=0.45um，以上所有光波導都是在一種半導體材料的SOI基底上的條形光波導，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分別為1.86×10-4/K和1×10-5/K，使用CMOSOL軟件通過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中TE基模，分別計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使得b=0.64，輸入光波長為1550nm，將上述值代入公式（5），并通過MATLAB仿真得到補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，得到普通光波導的相位變化隨溫度的改變如圖 1中的紅線所示，其相位改變量隨著溫度的增加在增加，而如果利用設計的補償器來補償該普通光波導，也就是將補償器直接連接在該普通光波導之后，形成一個系統，該系統整體隨溫度增加的相位改變量如圖 1中的藍線所示，由圖可知，該藍線非常接近粉色的零值線，隨著環境溫度從25℃增加到52℃，該系統的相位改變量一直保持在零值附近，這也就是說，隨著外界環境溫度的改變，該系統的整體相位并沒有發生改變，因此，溫度的改變不會影響該系統的光學性能，系統熱穩定性高。

4 結語

在本文中，設計了一種基于非對稱的馬赫-增德干涉儀的CMOS兼容的熱補償器，由于該熱補償器具有負的熱補償系數，且CMOS工藝兼容，因而能為大多數集成光器件提供溫度補償，從而實現系統穩定，不受外界環境溫度改變的影響。

作者簡介：龍祁峰（1989-），男，碩士，實習研究員，主要從事光通信技術方面的審查工作。