基于非对称的马赫―增德干涉仪的CMOS兼容的热补偿器

摘 要：本文提出一种新型的基于非对称的马赫-增德干涉仪的CMOS兼容的热补偿器，能补偿大多数具有正热光效应的硅基光电子集成器件，虽然该热补偿器由硅基的马赫-增德干涉仪组成，但却具有负热光系数，且可直接通过现有CMOS工艺制作，为半导体光集成器件提供一种热稳定方式。

关键词：硅基光电子；集成光路；CMOS工艺；负热光系数；热补偿器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.049

1 引言

与一般的硅基光电子集成器件相比，该基于非对称的马赫-增德干涉仪的热补偿器，不仅仅可以兼容传统CMOS工艺，还能提供负热光系数，将它与传统的硅基光波导集成在一起，通过合理的设计，可以实现整个系统不受环境温度的影响，这为集成光路的设计不受外界温度影响提供了良好的基础。

2 原理

热补偿器由两个不同臂的马赫-增德干涉仪组成，两臂都为SOI基（即基于绝缘体的硅晶片）条形光波导，第一臂和第二臂的长度分别为L1和L2，整个马赫-增德干涉仪是非对称的；假设输入马赫-增德干涉仪的光场为Ein，光波长为λ，经过3dB分束器（可以由多模干涉仪组成）后被分为相等的两部分E1和E2，再分别经过第一、二臂之后输出E3=a1E1exp（iθ1）和E4=a2E2exp（iθ2），这里，a1和a2分别是第一臂和第二臂的传输损耗系数，第一臂和第二臂的光有效折射率分别为neff1和neff2，由此可计算出两臂的传输相位θ1和θ2；

3 仿真实验分析

下面设计实现热补偿器，并利用该补偿器补偿一段普通光波导的热光效应，从而实现整个系统不受外界环境温度的影响；普通光波导的长度为L=28.4um，宽度为W=0.45um，补偿器的两个臂的长度和宽度分别为：L1=2um，W1=0.27um和L2=16.7um，W2=0.45um，以上所有光波导都是在一种半导体材料的SOI基底上的条形光波导，顶硅厚度为250nm，底部二氧化硅层厚度为3um，硅和二氧化硅的热光系数分别为1.86×10-4/K和1×10-5/K，使用CMOSOL软件通过有限元方法仿真马赫-增德干涉仪的第一臂和第二臂光波导中TE基模，分别计算二者的有效折射率随温度的变化值，，，从而得到c=1/22，合理选择第一臂和第二臂的损耗系数使得b=0.64，输入光波长为1550nm，将上述值代入公式（5），并通过MATLAB仿真得到补偿器的相位随温度的增加的改变值，如图 1中的黑线所示，很明显可看出，随着温度的增加，补偿器的相位改变量在变小；采用同样的仿真方式，得到普通光波导的相位变化随温度的改变如图 1中的红线所示，其相位改变量随着温度的增加在增加，而如果利用设计的补偿器来补偿该普通光波导，也就是将补偿器直接连接在该普通光波导之后，形成一个系统，该系统整体随温度增加的相位改变量如图 1中的蓝线所示，由图可知，该蓝线非常接近粉色的零值线，随着环境温度从25℃增加到52℃，该系统的相位改变量一直保持在零值附近，这也就是说，随着外界环境温度的改变，该系统的整体相位并没有发生改变，因此，温度的改变不会影响该系统的光学性能，系统热稳定性高。

4 结语

在本文中，设计了一种基于非对称的马赫-增德干涉仪的CMOS兼容的热补偿器，由于该热补偿器具有负的热补偿系数，且CMOS工艺兼容，因而能为大多数集成光器件提供温度补偿，从而实现系统稳定，不受外界环境温度改变的影响。

作者简介：龙祁峰（1989-），男，硕士，实习研究员，主要从事光通信技术方面的审查工作。