硅基微纳光电子器件的研究PPT课件

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