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绝缘衬底上的薄膜硅材料（Silicon-on-insulator，SOI）是一种新型的硅材料，近年来在半导体光电子学领域的应用日益广泛。SOI光波导器件的研究成为目前硅光子学研究的一个热点问题。本书系统地介绍了SOI材料的无源导波光学器件，特别是光开关器件的理论原理以及器件制作方面的最新研究成果。本书叙述深入浅出，理论联系实际。书中大部分内容反映了近几年来SOI无源光波导器件的最新进展。本书主要供从事半导体集成光学和导波光学器件研究及研制的工作人员，以及其他相关领域的科研人员、工程技术人员阅读，也可作为理工科大学有关专业的研究生的教学参考书。

第1章  SOI光波导材料	1
1.1  引言	1
1.2  硅基光波导材料	2
1.2.1  几种光波导器件的材料的比较	2
1.2.2  硅光子学的发展	3
1.2.3  几种硅基光波导材料的比较[2]	4
1.3  SOI材料制作技术、性能比较及损耗特性	8
1.4  波导制造的基本工艺	11
1.5  SOI光波导的数值模拟	14
1.5.1  束传播方法（BPM）	15
1.5.2  有效折射率法	18
参考文献	20
第2章  SOI波导结构及特性	21
2.1  SOI脊型波导的结构	21
2.1.1  矩形截面SOI脊型波导单模条件	22
2.1.2  SOI矩形截面的脊形波导的制作过程	24
2.1.3  梯形截面SOI脊型波导单模条件	25
2.1.4  SOI 梯形截面的脊形波导的制作过程	26
2.2  SOI波导的损耗[5]	27
2.2.1  SOI波导的传输损耗	28
2.2.2  光波导端面处的耦合损耗	29
2.3  热氧化方法减小波导散射损耗[6]	30
2.3.1  热氧化的原理	30
2.3.2  物理模型和Suprem工艺模拟	30
2.3.3  实验和模拟结果的比较讨论	31
2.3.4  分次氧化方法的讨论	34
2.4  SOI波导与光纤的耦合	35
参考文献	39
第3章  SOI弯曲波导的研究	41
3.1  弯曲波导损耗机理的分析	41
3.1.1  等效折射率法的近似	41
3.1.2  平面弯曲波导的损耗机理	42
3.2  影响损耗的因素[1]	44
3.2.1  损耗系数公式	44
3.2.2  宽度、脊高比、半径和弯曲损耗的关系	45
3.3  最佳单模弯曲波导结构参数的确定[2]	46
3.4  弯曲损耗的改善方法[3]	47
3.4.1  在波导连接处引入偏移量	48
3.4.2  弯曲波导形状的改善	49
3.4.3  在波导外侧刻槽	50
3.4.4  几种改善方法的实验结果比较	51
参考文献	52
第4章  光耦合器	53
4.1  多模干涉耦合器的基本原理	53
4.2  多模干涉耦合器的特性	60
4.2.1  自映像质量	60
4.2.2  损耗和均匀性	60
4.3  紧缩型多模干涉耦合器的设计	61
4.3.1  抛物线锥形多模干涉耦合器[1,2]	62
4.3.2  强限制多模干涉耦合器[3]	63
4.3.3  紧缩型的1×2 3 dB多模干涉耦合器的设计	64
4.3.4  紧缩型的1×2 3 dB多模干涉耦合器的制作容差分析[4]	66
参考文献	68
第5章  SOI光开关	69
5.1  湿法化学腐蚀原理	70
5.1.1  硅KOH各向异性腐蚀的微观描述	70
5.2  2×2开关单元的设计[1]	72
5.2.1  单模波导的设计	72
5.2.2  MZI结构原理	74
5.2.3  多模干涉耦合器的设计	74
5.2.4  热光调制机制	77
5.3  2×2开关单元的制作	78
5.4  2×2开关单元的测试数据分析	79
5.5  端面反射损耗的改善	85
5.5.1  端面反射损耗	85
5.5.2  端面反射率的优化[2]	88
5.6  光开关的封装	89
5.6.1  波导与光纤阵列的耦合对准方法	89
5.6.2  封装基板的制作[3]	91
5.6.3  引线键合	92
5.6.4  封装盒的设计	93
5.6.5  测试结果	94
参考文献	96
第6章  大规模SOI光开关阵列	97
6.1  硅的ICP干法刻蚀技术	97
6.2  光开关阵列的拓扑结构	99
6.2.1  光开关阵列的分类	99
6.2.2  完全无阻塞型光开关阵列	99
6.2.3  重排无阻塞型光开关阵列	101
6.2.4  阻塞型光开关阵列	102
6.3  光开关阵列的设计	103
6.3.1  阵列结构	103
6.3.2  模斑变换器的引入	104
6.3.3  交叉波导的设计	106
6.4  光开关阵列的制作过程[3]	110
6.5  8×8重排无阻塞型光开关阵列的实验测试结果	113
6.6  16×16阻塞型光开关阵列的实验测试结果	118
参考文献	124
第7章  SOI光波导器件的应用及其发展	125
7.1  硅基光子学与光互连技术	125
7.2  光网络中节点技术的发展	129
7.3  SOI光开关发展概述[3,4]	131
7.4  其他SOI无源光波导器件的研究进展[5]	139
参考文献	142

序
    在信息领域，将光子看作信息载体，研究光子的产生和运动特性，这种专门研究光子的信息功能和应用的新型科学便是信息光子学。专门以固体材料为介质，研究光子载体在固体介质中的产生、运动、控制、操作，研究光子同固体物质的相互作用及其应用，这种专门研究固体中的光子性能的新型科学便是固体光子学。以半导体材料为介质的光子学，研究半导体介质中光的产生传输、控制、探测特性和在信息系统中的应用。半导体材料中，硅是应用最广的电子材料。近年来，硅在光子学领域中逐渐活跃起来，成为一种潜力很大的光子材料。相应的，逐步发展形成了硅基光子学。
    半导体材料中，III-V族半导体已经研制成了不同波长的激光器和探测器，在光纤通信等系统中得到广泛的应用。硅是间接带隙的半导体材料，发光效率低，这在很长一段时间内限制了它在光学领域中的发展。然而近二十年来的研究表明，硅也是一种很好的光学材料。非常成熟的微电子加工工艺既为大规模集成电路作出了特殊贡献，也为硅光子学提供了坚实的技术基础，大大加速了硅光子学的形成和发展，并且有进一步扩大和独树一帜的趋势。硅光子学是一门非常新的前沿学科，特别是近一两年来，信息系统和计算机科学技术的发展，要求速率更高、功耗更小、集成度更高的光电子集成模块，进一步促进了片上系统和光互连的发展。因此，硅光子学不再只是一门学科，而是一门实实在在的高新技术。对硅光子学的深入学习、研究、开发、应用已经成为国内外的热点。因此，有关硅光子学的书籍应运而生了。
    SOI是英文Silicon on Insulator（绝缘衬底上的硅）的简称，它是一种新型的硅基集成电路和光电子集成材料。SOI材料具有一系列的优点：
    1. 在材料性质上具有硅的所有优点。
    2.  SOI已经是批量生产的材料，在市场上可以买到各种型号的片子。
    3. 对于光通信用的长波长来说，硅是透明的，适合于制作长波长波段的波导器件。
    4. 硅和二氧化硅的折射率相差很大，有很强的光学限制作用。
    5. 这种很强的光学限制作用使得器件的尺寸很小，因而能够在同一芯片上制作很多器件，从而实现光电子器件的集成。
    6. SOI基的电子和光子器件的制作工艺同CMOS工艺兼容，因此，CMOS工艺为进一步批量生产SOI光电子器件和光电子集成回路提供了坚实的技术基础。
    陈媛媛同志对SOI光波导和光子器件进行过多年的研究工作，她结合自己的研究成果和国内外的研究进展编写的这本《SOI光波导器件》力图综合地、系统地描述SOI光子器件的基础知识和最新进展，这是一本国内首次专门介绍SOI基光子器件的物理原理、器件设计和在信息系统中的应用的书籍。
    硅基光子学的研究刚刚起步，大有方兴未艾的趋势。因此本书不可能包含不断出现的新内容，这只能留待日后新的著作进一步深入和扩展了。对光电子领域的广大读者，尤其是从事研发的高级科学工程人员和在读的研究生，该书会有参考价值。
    谨以此作序。

                             中国科学院半导体研究所 余金中
                                      2010年7月7日
前    言
近年来光纤通信和光信息处理等技术迅速的发展进步，以光子作为信息和能量载体的光子学日益蓬勃壮大。光波导器件作为光子学的重要组成部分越来越受到有关研究人员的重视。在光电子集成技术中，高速率和大容量密集波分复用网络系统，需要重点解决高速传输、复用与解复用、光分插复用、光交叉互连、光波导开关以及高速光调制等问题，而这些技术的实现则离不开高性能和高可靠性的各类光波导结构与器件。随着光波导器件的研究成熟，走向市场，人们正在实现从电子学时代向光子学时代的飞跃。
基于SOI材料的波导器件是硅基光子学研究的热点之一。SOI材料最初由于具有抗辐射等优点主要是被应用于微电子技术中。从20世纪80年代后期开始，SOI材料以其良好的导波性能在导波光学器件和光电子器件方面逐渐获得了越来越广泛的应用。特别是大截面尺寸的脊型结构波导的研制成功，降低了SOI单模波导与光纤的耦合损耗，极大地推动了SOI光波导器件的发展。目前，SOI材料的制备技术已经比较成熟，拥有氧离子注入、键合背向腐蚀、注氢智能剥离等多种技术。同时加工工艺的改善也使得SOI波导传输损耗不断降低。SOI材料用于制作光波导器件的优越性主要表现在以下几点：
	SOI光电子工艺与标准的CMOS工艺完全兼容，为实现高集成度的光电子回路提供了可能；
	SOI材料具有很好的导波特性，传输损耗小；
	导波层硅和限制层二氧化硅之间的折射率差很大，单个器件有可能做得很小，有利于大规模集成；
	制备技术成熟多样，成本低廉。
全书共分为7章。第1章介绍了SOI波导材料的性能、制作方法以及SOI光波导的常用分析方法；第2章介绍了SOI波导的单模条件，损耗、耦合特性，重点分析了热氧化方法对损耗的改善结果；第3章分析和介绍了SOI弯曲波导的损耗机理和影响因素，比较了改善弯曲波导损耗的各种方案；第4章介绍了SOI基MMI光耦合器的基本原理，重点分析了紧缩型耦合器的设计。第5章分析介绍了湿法腐蚀的SOI基2×2光开关的设计、制作以及后期封装测试的实验结果。第6章分析介绍了大规模光开关阵列的设计、制作和性能测试结果。第7章阐述了SOI光波导器件的应用和发展。
本书由陈媛媛著，书中的主要内容来自作者在中科院半导体研究所集成光电子国家重点实验室期间在硅基光子学领域的研究成果。半导体所的余金中、陈少武研究员，严清峰、夏金松、王小龙、王章涛、樊中朝、李艳萍、杨笛、刘敬伟、孙飞、李运涛、李智勇、屠晓光、黄庆忠、徐学俊、肖希、朱宇博士等对笔者的研究工作给予了很大的支持和帮助，在本书的编写过程中也得到了他们的许多帮助，余金中研究员更是在百忙之中为本书写了序言，在此向他们表示衷心的感谢。同时感谢北京工商大学学术专著出版资助项目对本书出版的资助。由于本人学术水平有限，对书中的差错和不当之处，恳求读者批评指正。

陈媛媛
2010年8月

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