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文档简介

1、硅基微纳光电子器件的研究汇报人:XXX学号:XXX目录目录1.研究背景2.不同类型的MEMS可调谐激光器3.典型MEMS可调谐激光器的结构分类4.结语1.研究背景研究背景现阶段,硅基加工工艺已经发展得比较成熟,加之硅基光电子元件的制造成本相对较低,而且光电混合继承性能较理想,故硅基光电子元件在光纤通信领域已经有较为广泛的应用,尤其是向微纳米机电系统的深化,使其应用的空间更加广阔。随着研究的深入,硅基光电子元件仍在不断发展进步,各种性能在不断优化,随着硅基微纳光机电系统技术的不断发展,出现了硅基微纳光电子器件,意味着性能方面又上了一个阶梯。为了减少-族材料制作微纳光电子器件的成本,现阶段人们尝试

2、以硅作为纳米电子器件的材料,而且凭借硅在1.31.5m 通信波段低功耗的优势,已经成功生产出了大量的硅基微纳光电子器件。例如MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)可调谐激光器,基于NEMS ( Nano-Electromechanical System )技术的纳米光功率探测器,都是目前比较成熟的硅基微纳光电子器件。本文针对硅基微纳光电子器件展开研究,以MEMS可调谐激光器为例,讨论其各种类型与结构,及优势与缺陷,努力对其做出更加全面的认识,探讨硅基微纳光电子器件的应用对于通信等领域发展的现实意义。2.不同类型的MEMS可调谐激光器随着光通信网络的发展和扩大

3、,对波长的要求也越来越多。如果采用传统的固定波长的激光器分配给每个波长信道,不但需要封装多个激光器,而且会大大增加光通信网络的成本及管理的复杂化。由此引入了可调谐激光器,于是光通信网络成本可以得到有效的降低,网络灵活性得到了扩展,可任意控制信道波长,便于准确地控制频道间隔。可调谐激光器可采用电流调谐、温度调谐、机械调谐技术,一般采用其中的一种或两种技术。在机械调谐中,MEMS结构是最有希望的一种技术,可获得大范围调谐的激光器,近几年已成为开发热点,MEMS宽带可调谐激光器是国际上研究的热点,已取得较大进展。以下对几种不同类型的MEMS波长可调谐激光器进行介绍。 (1) 基于MEMS反射镜的可调

4、谐激光器采用MEMS可移动反射镜作为外反射器,已研制出用于WDM系统的宽调谐激光器。采用MEMS反射镜作为激光选择器的优点是:可进行无源布局,并采用具有极低成本的高性能光集成自动操纵系统;当与光功率监测器一起使用时,可使激光器与调制之间的耦合连续最佳化,以便在整个温区和时间内减小输出功率变化;MEMS反射镜的调节可补偿由于透镜的激光焊接所导致的机械位移,无须对焊接后的激光器进行冲击或机械变形。典型器件为采用表面微加工三维(3D)反射镜和深腐蚀圆形反射镜集成的可调谐激光器。基于表面微加工3D反射镜的MEMS可调谐激光器采用表面微加工3D反射镜作为外反射器,并将该反射镜与激光器和光纤集成获得可调谐

5、激光器。该可调谐激光器的梳状驱动器有两排梳齿。如下图所示。梳状驱动致动器下图为该可调谐激光器的扫描电子显微镜(SEM)照片。采用表面微加工工艺制作3D微反射镜及其旋转结构。在完成制作并将反射镜分开之后,在预定位置竖立反射镜,然后通过定位架进行固定。集成之后,将激光器和光纤与衬底粘接。采用表面微加工反射镜的可调谐激光器SEM照片基于深腐蚀圆形反射镜的MEMS可调谐激光器由于采用表面微加工技术会产生弯曲应力,并有工艺孔,还需要腐蚀除去无反射镜的牺牲层,所以难以获得高性能的大型反射镜,使表面微加工技术受到一定限制。相比之下,采用深腐蚀技术可制作各种垂直的光器件。已研制出一种采用圆形反射镜作为反射器的

6、MEMS可调谐激光器,下图示出了该闭合的圆形反射镜及其驱动器。其MEMS结构包括圆形反射镜、梳状驱动器和用于激光器和光纤的沟槽。该圆形反射镜有助于将来自激光器的散射光聚集返回激射腔。当将MEMS结构与激光器集成时,可大大减少对准的难度。闭合的圆形反射镜 (2) 基于闪耀光栅的MEMS可调谐激光器基于闪耀光栅的MEMS可调谐激光器是采用深腐蚀的旋转闪耀光栅作为外反射器,这种MEMS可调谐激光器的一个重要特点是涂覆光栅,而不是涂覆微透镜。此外,通过微透镜的侧面阻挡激光。该光栅的闭合和旋转梳状驱动器示于下图。该可调谐激光器以接近单纵模工作,通过选择适当的光栅参数解决跳模问题。闭合的旋转光栅(3)阵列

7、集成的MEMS可调谐DFB激光器扩大DFB激光器调谐范围的一种有效技术是通过将多个DFB谐振腔集成到一个阵列中,就可扩大波长可调谐范围。Santur公司采用DFB激光器阵列技术,将12个不同波长的DFB激光器阵列与透镜和简单的开关一起耦合,以便改变器件的输出波长。下图为阵列集成的可调谐激光器简图。因为所有器件是DFB激光器, 并采用相同的半导体层,使集成非常简单。由于是采用电控制反射镜的精细对准,所以倾斜反射镜的封装偏差要求不太严格,从而使成本下降,可满足宽可调谐激光器的市场需求。阵列集成的MEMS可调谐激光器简图(4)VCSEL基MEMS可调谐激光器VCSEL基可调谐激光器可把各种昂贵和复杂

8、的元器件交错地封装在一起。一般采用半对称腔技术,在垂直腔的上部安装一个活动的上反射镜,利用MEMS技术静电方式控制使谐振腔长度发生变化而改变激光波长,可获得60nm的可调谐范围。可调谐VCSEL的优点是:可以输出纯净、连续的光束,并可简单有效地耦合进光纤中,成本低、易于集成和批量生产,很有发展前途。但其输出功率低,调节速度为ms级,并且还有一个外加的移动反射器。如果再加一个光泵以提升其输出功率,不仅会提高器件整体复杂性,还要增加激光器的功耗和成本。北电网络开发的VCSEL基可调谐激光器的基本构形是采用一个大功率、侧面发射泵浦光激励MEMS基垂直可调腔,然后通过一个侧面发射的放大器提高其功率输出

9、。如下图所示:北电网络的微机械可调谐VCSEL简图3.典型MEMS外腔可调谐激光器的结构分类基于MEMS 技术的可调谐激光器大都是外腔激光器,目前,基于MEMS 技术的外腔可调激光器结构已经提出了很多种结构,而这些结构主要可以分为:镜面腔结构、F-P 腔结构、Littrow 结构、Littman 结构。以下对这些结构进行介绍。镜面腔结构简单是最早被研究的一种外腔可调激光器,激射区发射的光经过外腔的平面镜反射,重新注入激光器,形成反馈。利用MEMS 技术调节镜面里激射区的长度对波长进行调节。但由于从激射区发出的光会衍射扩散,从而导致较低的耦合效率,因此这种结构的激光器输出功率一般不会很大。且会产

10、生多模振荡,对边模抑制能力不足。基于MEMS 技术的F-P 外腔激光器,如图下图所示,利用等离子激射技术制作成F-P 腔用于调节外腔腔长,同时利用F-P 的选模机制有效地抑制了边模,可以实现良好的单模输出和较窄的输出线宽。但是此机构仍然类似镜面腔结构,耦合效率很低,且稳定性较难控制。Littrow 结构中通过闪耀光栅的旋转进行波长调节,可以获得高达120 nm 的调节范围。把MEMS 调节期间与激光器集成在一起尺寸大约只有 2.0 mm1.5 mm0.6 mm,非常适合光纤通信设备。但是受到基础结构的制约虽然有120 nm 的可调记录, 但通常情况下可调范围不超过30 nm,大大限制了它的应用范围。Littman 结构比Littrow 结构多了一个平面反射镜,如下图所示,调节波长时只需要转动平面镜,且只需要很小的角度就可以实现大范围的调节。本结构对光栅的要求较高,不同中心波长的激光器需要重新闪耀光栅,由此才能产

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