【正文】 ，Ashburn P，Hal, S and Hemment ， Leakage current mechanisms in SiGe HBTs fabricated using selective and nonselective epitaxy, Electron Devices, IEEE Transactions on , Nov 2001, Volume: 48 Issue: 11 , Page(s): 2492 249922 Freeman G，Ahlgren D， Greenberg ， Groves R， Huang F， Hugo, G， Jagannathan B， Jeng ， Johnson J， Schonenberg K， Stein K， Volant R， Subbanna S，A μm 90 GHz fT SiGe HBT BiCMOS, ASICpatible, copper interconnect technology for RF and microwave applications， Electron Devices Meeting, 1999. IEDM Technical Digest. 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Dig, 1996, pp. 99102無 源 器 件光調(diào)制和光開關(guān)原榮（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所 桂林 541004）摘 要 首先介紹光調(diào)制原理、分類和器件，然后闡述機(jī)械式光開關(guān)和波導(dǎo)式光開關(guān)的工作原理和特性。改變載波幅度的調(diào)制叫非相干調(diào)制，而改變載波頻率或相位的調(diào)制叫相干調(diào)制。前者是信號直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)；后者是信號通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制，如圖1所示。 IM調(diào)制又分模擬強(qiáng)度光調(diào)制和數(shù)字強(qiáng)度光調(diào)制。當(dāng)調(diào)制信號是數(shù)字信號時(shí)，調(diào)制原原榮，男，1942年出生，研究員級高級工程師。但是工作點(diǎn)的選擇不同，模擬強(qiáng)度調(diào)制選在PI特性的線性區(qū)；而數(shù)字調(diào)制選在閾值點(diǎn)。為此，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制過程分開，即用外調(diào)制就完全可以避免這些有害影響。 副載波調(diào)制(SCM)是首先用輸入信號對相對于光載波的副載波(高頻電磁波)進(jìn)行調(diào)制，然后再用該副載波對光波進(jìn)行二次調(diào)制。圖3為幾種調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)和示意圖解。電光調(diào)制器是一種集成光學(xué)器件。使用兩個(gè)波的頻率相同但相位不同進(jìn)行干涉的干涉計(jì)，外加電壓引入相位的變化可以轉(zhuǎn)換為幅度的變化。兩個(gè)理想的背對背相位調(diào)制器，在外電場的作用下，能夠改變兩個(gè)分支中待調(diào)制傳輸光的相位。 假如輸入光功率在C點(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，其幅度為A，在輸出端D的光場為Eoutput∝Acos(ωt+φ)+Acos(ωtφ)=2Acosφcos(ωt) (1)輸出功率與E2output成正比，所以由式(1)可知，當(dāng)時(shí)輸出功率最大，當(dāng)φ=π/2時(shí)，兩個(gè)分支中的光場相互抵消干涉，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。 外腔調(diào)制器的性能由開關(guān)比(消光比)和調(diào)制帶寬度量。 2．2 電吸收波導(dǎo)調(diào)制器 電吸收調(diào)制器(EAM，ElectroAbsorption Modulator)是一種pin半導(dǎo)體器件，其i層由多量子阱 (MQW)波導(dǎo)構(gòu)成。EA調(diào)制器有著許多優(yōu)點(diǎn)，雖然在高速和啁啾特性方面不如LiNiO3調(diào)制器，但具有體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低，通過這種調(diào)制器與激光器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，激光器與調(diào)制器之間亦不需要光耦合裝置，并且可以降低損耗，從而達(dá)到高可靠性和高效率。激光器工作在連續(xù)波(CW)，當(dāng)調(diào)制電壓為2Vpp時(shí)，消光比大于10dB，傳輸距離達(dá)到400km。波長工作在1．3μm的EA調(diào)制器在 CATV系統(tǒng)和微波副載波(SCM)系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用前景。對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。這類光開關(guān)技術(shù)比較成熟，在插入損耗(典型值0．5dB)、隔離度(可達(dá)80dB)、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能，也不受調(diào)制速率和方式的限制，但開關(guān)時(shí)間較長(幾十毫秒到毫秒量級)，開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。另一類光開關(guān)是利用固體物理效應(yīng)(如電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng))的固體光開關(guān)，其中電光式、磁光式光開關(guān)突出的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快(毫秒到亞毫秒量級)，體積非常小，而且易于大規(guī)模集成，但其插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。 3．1 機(jī)械光開關(guān) 機(jī)械光開關(guān)有移動(dòng)光纖式光開關(guān)、移動(dòng)套管式光開關(guān)和移動(dòng)透鏡(包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡)式光開關(guān)。圖6(b)表示１2移動(dòng)反射鏡光開關(guān)。圖6 機(jī)械式光開關(guān) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為 DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。通常微反射鏡的尺寸只有140μml50μm，驅(qū)動(dòng)力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。 圖7表示一種可上下移動(dòng)微反射鏡的MEMS光開關(guān)，它有一個(gè)用鎳制成的微反射鏡(80μm高120μm寬30μm厚)，裝在用鎳制成的懸臂(2000μm長100μm寬2μm厚)末端。平行連接狀態(tài)轉(zhuǎn)變到交叉連接狀態(tài)是靠靜電力將懸臂吸引到襯底上實(shí)現(xiàn)的，靜電力由加在懸臂和襯底間的電壓產(chǎn)生(30～40V)。圖7 可升降微反射鏡MEMS光開關(guān) 圖8 可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)圖9 可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān) 圖10 馬赫曾德爾11光開關(guān) 圖8表示可旋轉(zhuǎn)微反射鏡的MEMS光開關(guān)，當(dāng)反射鏡取向1時(shí)，輸入光從輸出波導(dǎo)1輸出；當(dāng)反射鏡取向2時(shí)，輸入光從輸出波導(dǎo)2輸出，如該圖所示。圖 9表示可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)，當(dāng)反射鏡立起時(shí)，輸入光從輸出光纖1輸出，如該圖所示；當(dāng)反射鏡臥倒時(shí)，輸入光從輸出波導(dǎo)2輸出。3．2 波導(dǎo)光開關(guān) 利用電光效應(yīng)原理也可以構(gòu)成波導(dǎo)光開關(guān)。當(dāng)A、B分支的相位差φ=0時(shí)輸出功率最大，當(dāng)φ=π/2時(shí)，兩個(gè)分支中的光場相互抵消，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。參考文獻(xiàn)：（略）Optical Modulators and Optical SwitchesYuan Rong(Guilin Institute of Optical Communications,Guilin 541004)Abstract This paper first introduces the principle,types and devices of optical modulators,then describes the principle and characteristics of optical switches.Keywords optical modulation。MachZehnder modulator。elctroabsorption modulator。文章介紹了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)的特點(diǎn)，從光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面分析了基于MEMS的光開關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了國外MEMS光開關(guān)的研究與制作方法、應(yīng)用水平，對發(fā)展我國的MEMS光開關(guān)提出了建議。用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的光開關(guān)，將微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微致動(dòng)器和微光學(xué)元件集成在同一襯底上，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于擴(kuò)展，此種光開關(guān)同時(shí)具有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)．據(jù)美國通信工業(yè)研究會(huì)預(yù)測， MEMS光開關(guān)產(chǎn)品將逐步超過傳統(tǒng)光開關(guān)數(shù)量，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。 MEMS光開關(guān)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)．目前 MEMS光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有；靜電驅(qū)動(dòng)(庫侖靜電引力)、電致伸縮、磁致伸縮、形變記憶合金、光功率驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、熱光驅(qū)動(dòng)和光子開關(guān)等。 國外在大規(guī)模光開關(guān)如646128128的光開關(guān)的研究上已取得了一定的進(jìn)展[1～4]。1．1 光路遮擋圖1是朗訊公司研制的光驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械開關(guān)．利用硅微細(xì)加工工藝制成光控的微型開關(guān)，整個(gè)尺寸約1～2 mm。其工作機(jī)理是：用8個(gè)多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機(jī)，在光信號的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場吸引，把遮光片升起，光開關(guān)處于開通狀態(tài)。用此開關(guān)可組成光纖線路倒換系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，驅(qū)動(dòng)光功率僅2．7μW、傳輸距離達(dá)128 km、工作波長為950～1650 nm、開關(guān)速度 3．7 ms、損耗小于0．5dB。1．2．1 熱驅(qū)動(dòng) 這種光開關(guān)不需要耦合光波導(dǎo)或透鏡，并能達(dá)到理想的低損耗開關(guān)功能．它是由一個(gè)厚的鍍Ni的可彎曲熱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來移動(dòng)光纖，在硅片上各向異性刻蝕出U或V形槽，用以實(shí)現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對準(zhǔn)．德國的一所大學(xué)利用體硅加工技術(shù)制作出一種雙穩(wěn)態(tài)熱驅(qū)動(dòng)光開關(guān)，它利用金屬的熱脹和雙金屬效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光纖移動(dòng)．插入損耗為(2177。所用光纖為單模光纖，定位精度1μm，圖2為其開關(guān)周期。1．2．2 磁力驅(qū)動(dòng)日本NTT利用平面波導(dǎo)研制了一種磁力驅(qū)動(dòng)的 24微機(jī)械光開關(guān)，其插入損耗小于3．1dB、串音小于40 dB、工作電壓為100 V、開關(guān)速度可達(dá)0．5ms左右．如圖3所示，光開關(guān)由微加工技術(shù)制作的硅平面波導(dǎo)和磁力驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成．由磁力驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)部件以實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，微型移動(dòng)部件由位于輸入波導(dǎo)光路上的一對驅(qū)動(dòng)梁和兩個(gè)梁共用的驅(qū)動(dòng)頭組成。驅(qū)動(dòng)器由連接于驅(qū)圖3 NTT24磁力驅(qū)動(dòng)光開關(guān)（a）頂視圖（b）剖面圖 圖4 基于旋轉(zhuǎn)反射鏡的光纖交叉連接器動(dòng)頭的鐵磁板和磁力電路組成，磁力電路由電磁線圈和一個(gè)永久磁鐵組成。1．3 微反射鏡改變光傳輸方向 基于微反射鏡的光開關(guān)的顯著特點(diǎn)是對偏振不敏感，能耗低和帶寬較寬．因此出現(xiàn)了多種基于微鏡的光開關(guān)，如基于可傾斜微鏡的一維、二維光開關(guān)及基于MEMS的反射式光開關(guān)。9176。這種小角度不僅可實(shí)現(xiàn)不同的光通路，而且可消除光路之間的串?dāng)_，并可實(shí)現(xiàn)光開關(guān)矩陣，是目前研究最為活躍的光開關(guān)制作方法之一。由于光傳輸過程中的發(fā)散，自由空間光開關(guān)損耗較大。交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開關(guān)時(shí)間