1 江西师范大学江西省光电子与通信重点实验室，江西 南昌 330022
2 上海交通大学平湖智能光电研究院，浙江 平湖314200
设计并制备了一种基于树形结构的1×8硅基热光开关，该热光开关由1个2×2和6个1×2马赫-曾德尔干涉仪的基本单元结构组成。该1×8硅基热光开关采用与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制造。通过氮化钛加热器来改变波导的温度，利用硅的热光效应实现光开关功能。实验结果表明：在1550 nm工作波长下，该热光开关的平均片上插入损耗约为1.1 dB；所有输出端口的串扰都小于-23.6 dB；开关响应时间小于60 μs。
集成光学 硅基开关 马赫-曾德尔干涉仪 热光开关
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences (CAS), Xi’an 710119, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 College of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Silicon waveguides typically exhibit optical anisotropy, which leads to polarization correlation and single-polarization operations. This consequently creates a demand for polarization-control devices. This paper introduces a CMOS-compatible O-band reconfigurable TE/TM polarization rotator comprising two symmetrical polarization rotator–splitters and phase shifters. This configuration enables dynamic conversion of any linear polarization to its quadratic equivalent. Experimental results indicate that the reconfigurable polarization rotator exhibits an insertion loss of less than 1.5 dB. Furthermore, the bandwidth for a polarization extinction ratio beyond 15 dB exceeds 60 nm.
silicon-based optoelectronics polarization rotation polarization switch Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011303
为了解决传统T型偏置器(Bias-T)在硅基高速调制器测试过程中, 因直流(DC)源导通/截止或者链路产生热插拔时容易导致高速信号源出现不可逆的损坏问题, 首先分析了问题产生的原因和常规解决方法的优缺点, 然后设计了一种用于硅基高速调制器测试的有源Bias-T电路。该电路在传统Bias-T基础上利用微波放大器芯片中晶体管的特性来隔离直流源在馈电导通/截止或者热插拔时产生的冲击电压。最后, 对有源Bias-T电路进行了仿真设计和测试。测试结果表明: 该电路带宽大于25 GHz, 脉冲电压为±0.055 V左右, 消除了信号源设备损坏的风险。
硅基高速调制器 热插拔 有源T型偏置器 信号抑制 silicon-based high-speed modulator, hot swap, acti
1 北京新风航天装备有限公司, 北京 100854电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 611731
2 北京新风航天装备有限公司, 北京 100854
3 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 611731
随着智能时代的到来, 磁场传感器已经广泛应用于移动设备中, 为用户提供定位和导航等服务。目前, 基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的 2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低, 不需要外加磁性材料, 且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为 10 μT~1 T, 并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T), 其性能主要取决于磁性材料。除了以上 2种方式外, 由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测, 具有体积小、功耗低、性能优异且与 CMOS工艺兼容等优点, 近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由 MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法, 并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。
微机电系统 谐振式磁场传感器 硅基谐振器 压电式换能 电容式换能 Micro-Electro-Mechanical System(MEMS) resonant magnetometers silicon-based resonators piezoelectric transduction capacitive transduction 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(11): 1387
1 重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆 400065
2 模拟集成电路国家级重点实验室, 重庆 400060
3 重庆大学 电气工程学院 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044
基于150 mm 0.35 μm CMOS工艺，利用Silvaco TCAD软件，针对50 μm厚硅基上NMOS与PMOS器件、多晶硅-介电层-多晶硅 (PIP)电容和N+型多晶硅电阻，在单轴状态不同弯曲半径下，仿真了压缩与拉伸对器件电学参数变化的影响程度。结果表明，单轴拉伸与压缩弯曲使NMOS的阈值电压最大漂移0.46 mV，使PMOS阈值电压最大漂移0.33 mV。漏极电流随变形量线性变化，NMOS压缩时系数为-0.132 95，NMOS拉伸时系数为0.006 01。PMOS拉伸时系数为-0.104 47，PMOS压缩时系数为-0.110 7。电阻阻值随变形量呈线性变化，当掺杂浓度分别为1×1019，2×1019，3×1019，4×1019，5×1019时，系数分别为247，498，766，1 016，1 301。电容最大变化值和初始值不超过0.5%，结论归纳为无失配影响。这些结果与实验吻合，验证了模型的正确性，为研制降低退化的柔性硅基集成电路打下基础。
超薄 柔性 硅基 弯曲 器件模型 ultra-thin flexible silicon-based bending device model
1 暨南大学信息科学技术学院，广东 广州 510632
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
硅基微环谐振器由于其优异的光谱选择性、紧凑的占地面积和低功耗特性，被大量应用于光子集成领域。但是，由制造误差和硅基器件高热敏性引起的微环谐振波长偏移会导致工作状态不稳定，在实际应用中需要实现相应的波长锁定方案。提出了一种基于差分进化和数字微扰的微环波长锁定系统，以输出光功率为监测变量，在全局搜索阶段基于差分进化算法搜索最佳加热功率来定位目标信号波长，在局部锁定阶段基于数字微扰算法解调出误差信号，据此来增减加热功率以消除环境温度波动干扰。经过理论推导和实验验证，发现提出的差分进化算法搜索最佳加热功率的速度比传统的逐步扫描方式快4倍左右，实验验证了在400 s内、在环境温度变化5 ℃条件下微环谐振波长的稳定锁定。
硅基微环 波长锁定 差分进化 数字微扰 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2323002
1 北京信息科技大学信息与通信工程学院信息与通信系统信息产业部重点实验室，北京 100101
2 北京信息科技大学信息与通信工程学院光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100101
3 北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京 100871
硅基调制器具有体积小、功耗低、易集成等优势，但相较于铌酸锂调制器，线性度通常较差，从而限制了其在光载无线等通信系统中的性能。提出一种增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx），用以补偿硅基调制器对无源光接入网络带来的性能下降缺点。EMRC-Rx综合利用直接检测机（DD-Rx）和轻相干检测机（Lite CO-Rx）的优势，借助两种接收方式的最大信噪比占比，可以显著提升接收机的灵敏度，进而解决硅基调制器低线性度导致的系统性能下降问题。实验结果表明，当误码率高于KP4-FEC阈值1.0×10-4时，相较于DD-Rx和Lite CO-Rx，EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升5.5 dB和8.8 dB，误差矢量幅度（EVM）分别提升32.5%和41.1%，系统性能明显得到改善。通过进一步与铌酸锂调制器进行对比发现，相比采用铌酸锂调制器的Lite CO-Rx和DD-Rx，基于硅基调制器的EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升3.5 dB和7.9 dB，且可取得与铌酸锂调制器中MRC-Rx接近的系统性能，验证了EMRC-Rx对硅基调制器低线性度带入的性能劣化的补偿效果。本工作对在5G时代利用硅基调制器构建高可靠、低成本的光子集成接入网具有指导意义。
硅基调制器 直接检测 轻相干检测 无源光接入网 调制器线性度 光学学报
2023, 43(23): 2312002
1 北京工业大学 信息学部 光电子技术省部共建教育部重点实验室
2 北京工业大学 材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所,北京 100124
基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器（APD），基于不同工作温度下器件的击穿特性，建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果，拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数（dE/dT），器件在250~320 K区间内，击穿电压与温度是正温度系数，器件发生雪崩击穿为主，dV/dT=23.3 mV/K，其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50~140 K工作温度下，击穿电压是负温度系数，器件发生隧道击穿，dV/dT=-58.2 mV/K，其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。
硅基雪崩探测器 击穿电压 温度系数 击穿模型 silicon based avalanche detectors breakdown voltage temperature coefficient breakdown mode
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
随着光通信产业和光互联技术的高速发展，具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体（SOI）材料为基底的光子晶体纳米梁腔（PCNC）反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中，然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数，可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径，使得光束更好地被束缚在腔内。同时，在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结，施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长，从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分（3D‐FDTD）法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明，该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制，调制电压仅为1.2 V，插入损耗为0.2 dB，消光比为24 dB，面积仅为54 μm2，调制速率为8.7 GHz，调制带宽为122 GHz，调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑，性能优异，有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。
光通信 载流子色散效应 时域有限差分法 光子晶体纳米梁腔 硅基波导 电光调制器 中国激光
2023, 50(19): 1901005
