简介

本文介绍了五种硅基光电子无源器件：定向耦合器、Y形分支器件、马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)、环形谐振器以及布拉格光栅。这些器件的工作原理分别基于光的耦合模式理论、精确的几何结构设计以及选择性波长共振。文章阐述了这些器件的设计挑战，如实现理想的耦合效率、最小化损耗、保证功率均匀分配等，并概括了优化设计方法。这些无源硅基光电子器件在路由光信号、分割与合并光通道、滤波和调制光信号等方面发挥重要作用，是实现紧凑集成光电子电路的基石，推动了光通信和光学传感技术的进步。

一、定向耦合器

定向耦合器是光子系统中用于路由、分光和合光的关键组件，由两个平行波导组成，两个波导的位置非常接近，因此光功率可以在规定的长度内从一个波导传递到另一个波导。传输效率受耦合器的长度、波导之间的间隙及其模式剖面的影响。硅基光电子技术中定向耦合器的一个主要特点是能适应各种波导类型，包括肋状和条状波导，应用范围从基本的光路由到复杂的调制机制。

图1：定向耦合器的 GDS 布局 [1]；DC.gds

定向耦合器的工作原理基于耦合模式理论，即波导之间的功率传输由耦合系数决定，而耦合系数取决于耦合器长度和波导间距。功率耦合可以用数学方法表示，显示耦合功率和通过功率与耦合器物理参数之间的关系。值得注意的是，耦合效率会随着耦合器长度的变化而变化，从而导致功率可以完全转移到相邻波导，并有可能根据耦合器的长度而返回的现象。

超模分析(supermode)是基于波导有效指数数值计算的方法，它进一步完善了对这种耦合机制的理解。它能识别对称和非对称超模，说明光场强度如何受波导相位关系的影响而在波导之间移动。

图2：的定向耦合器的两种基本模式。实部（Ey）和电场强度。λ = 1550 nm，耦合器间隙 g = 200 nm，500 nm × 220 nm 波导，90 nm 板型波导[2]。

1.应用

定向耦合器在各种硅基光电子电路应用中发挥着重要作用：

- 功率分配和组合：定向耦合器可以在两个波导之间均匀或不均匀地分配光功率，因此对光子电路中的信号分配很重要。

- 光信号处理：通过调节耦合器的长度和间隙，可以根据耦合光产生的干涉模式设计出执行特定功能的设备，如开关、调制和滤波。

- 传感和测量：定向耦合器对光学环境变化的敏感性使其可应用于传感领域，通过耦合功率的变化来检测外部介质的变化。

2.设计注意事项

定向耦合器的设计需要仔细考虑波导间距、长度和模式剖面，以达到所需的耦合效率。通常会采用先进的模拟工具来优化这些参数，并考虑以下因素：

- 耦合器间隙依赖性： 耦合系数与波导之间的间隙呈指数关系，因此需要精确控制波导的制造，以达到理想的耦合效果。

图3：交叉长度 Lx 与间隙 λ = 1550 nm 的关系，500 nm × 220 nm 波导，90 nm 板型波导，使用网格尺寸为 20 nm 的波导模式求解器计算。

- 波长依赖性： 耦合效率也随光的波长而变化，因此需要调整设计以适应特定波长或实现宽带运行。

- 相位和功率耦合： 了解波导之间的相位关系和准确预测功率耦合比对于设计满足特定功能要求的耦合器很重要。

3.实验验证和建模

实验数据和建模技术（如 3D 时域有限差分 (FDTD) 仿真）对于验证设计和了解制造变化对耦合器性能的影响很重要。这些方法有助于确定耦合器对制造误差的敏感性，并对设计进行微调以获得最佳性能。

图4：定向耦合器的三维 FDTD 仿真，实线所示为仿真数据点。模拟参数：网格精度 = 3；波导上/下 300 nm 模拟边界；3 个 PML 和 3 个金属边界。如图所示，来自三个模具的实验数据作为小数据点包含在内。

二、Y 形分支分路器和合路器

Y 形分支器件具有双重功能：将光从一个波导分成两个波导，或将光从两个波导合并成一个波导。这种分叉或合并以 Y 形结构进行，因此被称为 "Y 形分支"。可确保进入单个输入波导的光线平均分配到两个输出波导。

图5：Y 型分支分配器/组合器，GDS 布局文件 [3]

图6：作为分路器运行的 Y 型分支 [3]。

 图7： 作为合路器运行的 Y 分支的单一输入 [3]。

1.设计挑战

设计高效的 Y 型分支器涉及多个难题，主要与最大限度地减少损耗和确保功率分布均匀有关。分支区域的几何配置对实现这些目标起着重要的作用。以下是主要考虑因素：

- 最大限度地减少辐射损耗：Y 型分支设计必须确保光线能顺利通过分支区域，并最大限度地减少辐射损耗。这就要求对波导弯曲和分支角度进行精心设计，以保持模式限制并尽量减少散射。

- 均匀功率分配： 要在两个输出波导之间实现等功率分流，需要精确控制分支角和波导宽度在分流过程中的变化。不均匀会导致功率分配不均，影响器件性能。

- 模式匹配：Y 分支必须支持输入波导和分叉分支之间的高效模式匹配。模式剖面的差异会导致功率不平衡和插入损耗增加。

2.优化技术

优化 Y 形分支以实现高性能需要结合分析建模和数值模拟：

- FDTD 模拟： 有限差分时域 (FDTD) 仿真广泛用于详细模拟 Y 支路的电磁行为。这些模拟有助于理解光波与光子结构之间复杂的相互作用，从而确定最佳几何结构，以实现最小损耗和均匀分光。

- 遗传算法： 遗传算法可用于自动优化过程，通过反复调整 Y 支路设计的各种参数，找到插入损耗最小、功率分配最均匀的配置。

- 器件测试和迭代： 根据模拟结果制造和测试 Y 型分支设计的多个变体，以进行经验验证。从这些测试中获得的启示将反馈到设计过程中，从而实现迭代改进。

三、马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)

马赫-曾德尔干涉仪（MZI）是硅基光电子技术中广泛用于操纵光的基本光学结构。工作原理是将输入光束分成两个独立的光路，然后重新组合，相互干涉。产生的干涉图案取决于沿两条路径累积的相位差，可以通过操纵相位差来改变输出光的强度。这种相位差可以通过各种方法进行调制，包括热光效应和电光效应，从而使 MZI 能够实现多种功能。

1.设计和操作

MZI 由两个分光器（可以是 Y 形分支或定向耦合器）组成，分光器将光分成两路，然后再重新组合，这两路光通常被称为干涉仪的臂。由于物理路径长度差异或波导折射率的诱导变化，每个臂上的光都会累积相移。来自两个臂的光重新组合会产生干涉，根据相位差的不同，干涉可能是建设性的，也可能是破坏性的，从而导致输出强度的调制。

MZI 的数学模型将复杂的电磁相互作用简化为更易于管理的形式，考虑了电场强度，并考虑了波导内的传播损耗。该模型展示了输出强度如何成为两臂之间相位差的函数。值得注意的是，当总损耗可忽略不计时，输出强度随相位差呈正弦曲线变化，为光调制提供了一个强大的机制。

2.应用

- 光开关：通过调制两臂之间的相位差，MZI 可以充当光开关，根据干涉模式在不同端口之间引导光线。

- 信号调制：MZI 广泛应用于光通信中的信号调制。通过改变相位差，输出光的强度可以将数据编码到光载波上，从而实现高速数据传输。

- 传感：MZI 对光路长度变化的敏感性使其适用于各种传感应用。通过检测干涉图案的变化，MZI 可以测量影响臂中光的折射率或路径长度的物理、化学或生物变化。

- 可调谐滤波器和波长复用：MZI 的输出可通过调整相位差进行微调，使其成为可调滤波器，用于选择特定波长。这一特性在波分复用（WDM）系统中尤为有用，可将不同波长的光传送到不同的通道。

MZIs 是硅基光电子技术中用途广泛、功能强大的组件，可在硅基光电子电路中对光进行精确控制。能够根据相位差对光进行调制，从而实现从数据调制和切换到传感和滤波等多种功能。MZI 设计简单，可产生复杂的干涉图案，因此在推动光通信和传感技术发展方面不可或缺。

四、环形谐振器

环形谐振器，又称微环或跑道谐振器，由环形光波导组成，允许光在环内循环或共振。光通过一个或两个定向耦合器进出谐振器，从而形成全通谐振器或加减谐振器。这些环形谐振器可以是圆形或跑道形，其中包含用于定向耦合的直段。环形谐振器的基本工作原理依赖于建设性和破坏性干涉原理，可在环路内实现选择性波长共振。

图9：环形/跑道谐振器示意图

1.可调谐性

当环路的光路长度是波导中光的有效波长的整数倍时，环形谐振器就满足了谐振条件。这种独特的特性使环形谐振器能够充当高选择性滤波器，应用范围涵盖滤波、调制和波长复用。环形谐振器的可调谐性是其一大特点，可对谐振波长进行动态控制。这通常是通过热光效应或电光效应实现的，波导折射率的变化会改变光路长度，从而改变谐振条件。

2.应用

- 波长过滤： 环形谐振器可以从宽带光源中选择性地过滤特定波长，因此在波分复用（WDM）系统中非常重要。

- 光调制： 通过调制波导的折射率，环形谐振器可以充当调制器，将电信号转换为调制光信号。

- 光学传感： 环形谐振器对折射率或光路长度变化的敏感性可用于传感应用，检测环境变化或生物物质。

环形谐振器是开发紧凑、高效硅基光电子器件的基石，在波长选择方面具有优异的可调谐性和特异性。环形谐振器能够无缝集成到硅基光电子电路中，并在滤波、调制和传感等方面有着广泛的应用，这凸显了环形谐振器在推动光通信和传感技术发展方面的重要作用。正在进行的研究和实验验证将继续释放环形谐振器的潜力，为硅基光电子技术的创新开启道路。

图10：环形谐振器调制器的实验光谱和 FSR。通过 OpSIS-IME 制造的器件 [1]

五、布拉格光栅

布拉格光栅的特点是能够选择性地反射特定波长的光，在波导中起到特定波长反射镜的作用。这种选择性反射源于波导沿线折射率的周期性变化，从而形成一种只反射满足布拉格条件的波长光的结构。这里的核心概念是布拉格波长 λB = 2Λneff， ，其中Λ是光栅周期，neff 是波导模式的有效折射率。光栅的反射和透射特性从根本上受耦合模式理论（CMT）的支配，该理论为理解光如何与周期性结构相互作用提供了一个数学框架。

图11：均匀布拉格光栅示意图。这里 neff1 和 neff2 分别是低指数部分和高指数部分的有效指数，是光栅的周期，R 和 T 是光栅的反射率和透射率。180◦ 箭头表示整个光栅的多次反射 [1] 。

1.应用

布拉格光栅可用作选择性滤光器，因此在光子设备中得到广泛应用。布拉格光栅是制造特定波长反射器的关键，这对于光纤通信中的信号解复用、制造高选择性传感器以及通过仅将特定波长反射回激光腔来稳定激光波长很重要。

2.设计

布拉格光栅的设计围绕着精确控制折射率的周期性变化，以达到所需的反射波长和带宽。这就需要选择适当的光栅周期（ΛΛ）和调制深度（影响有效折射率变化），以获得特定波长。反射系数 和峰值功率反射率由光栅的长度、调制深度和布拉格波长的失谐决定。光栅的带宽是决定光栅滤波特性的关键，受耦合强度和光栅长度的影响，长光栅或具有较强指数调制的光栅带宽较窄。

布拉格光栅设计的一个关键方面是对带宽的控制，设计人员通常为特定应用定制布拉格光栅，在反射率、带宽和工作波长范围之间取得平衡。

先进的模拟工具，如传递矩阵法（TMM）和有限差分时域（FDTD）模拟，是准确预测布拉格光栅性能不可或缺的工具。利用这些工具可以探索复杂的光栅设计，包括啁啾光栅、聚焦光栅和移相光栅，从而为先进的滤波、色散补偿和传感应用实现量身定制的反射光谱。

布拉格光栅是硅基光电子的基础组件，可精确控制光子电路中的光传播。布拉格光栅能够根据布拉格条件选择性地反射光线，这使其在从电信到传感等广泛的应用领域都具有重要价值。布拉格光栅的设计和优化需要对光波导理论、耦合模式理论和先进的数值模拟技术有深入的了解，这凸显了硅基光电子工程的多学科性质。

图12：带空气包层的条状波导中的均匀布拉格光栅。三维 FDTD 仿真与电子束光刻制造的器件的比较 [1]。

结论

硅基光电子技术站在了革新光通信系统设计和实施方式的前沿。通过利用硅基材料在微观层面操纵光的能力，这项技术为制造可直接集成到芯片上的更紧凑、更高效、更高性能的设备提供了一条途径。对定向耦合器、Y-分支分路器和合路器、马赫-曾德尔干涉仪、环形谐振器和布拉格光栅等基本构件的探索揭示了硅基光电子技术的巨大潜力和多功能性。每个组件都在光的操纵和控制方面发挥着重要的作用，推动着数据传输、传感和信号处理领域的进步。

了解和掌握这些组件对工程师和设计师在电信、计算等领域的创新很重要。设计和优化硅基光电子电路的能力为实现更快、更可靠、更节能的通信系统开辟了新的途径。此外，在同一芯片上集成光学和电子功能还能开发出新颖的设备和应用，进一步推动技术的发展。