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中美合作开发出全硅“光二极管”，与CMOS确保兼容性

http://cn.newmaker.com 12/28/2011 3:41:00 PM 日经BP社

美国普渡大学（Purdue University）和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology）宣布，该大学研究人员仅利用与CMOS技术具有兼容性的硅类材料制成的无源元件实现了“光二极管”。该元件设想使用光通信中使用的波长为1.5～1.6μm的光。正向导入光信号时与反向导入光信号时的信号功率比约为20dB以上。详细内容已刊登在学术杂志《科学》（Science）的电子版上。

这里所说的“光二极管”是指具备使光信号直接正向通过、基本不反向通过的功能的元件。一般用作“光隔离器”，是对激光半导体稳定化尤为重要的元件。功能与用作受光元件的“photo-diode（PD）”完全不同。

以前的光隔离器大多利用法拉第元件等具有磁光学效应的能动元件来制造。要想用无源元件来实现光隔离器，从原理上讲很难。同时在普渡大学和中科院挂职的齐明豪的研究小组全球首次开发出了由无源元件制成的光隔离器、即“光二极管”。

该“光二极管”由基本谐振频率（或谐振波长）相同的两个环形谐振器——NF（notch filter）与ADF（add-drop filter）的组合件构成。NF会吸收谐振波长的信号，而ADF会在吸收谐振波长的信号后输出。两个谐振器分别设置在距离正向侧光导波路不同的位置上。

二极管功能是通过组合距离的不同以及谐振器本身的非线性这两项要素实现的。非线性是指谐振波长因光信号强度而变化的现象。具体工作原理如下。

首先，当顺向和反向都输入谐振波长λ0以外的弱光信号时，二极管功能几乎不发挥作用，直接输出弱光信号。这是因为两个谐振器的谐振波长均未变化。而当输入的光信号的波长等于λ0时，无论顺向还是反向都几乎无信号输出。

当顺向输入波长λ0的强光信号时，由于非线性效应会使NF的谐振波长偏离λ0，因此NF不吸收信号，光信号向ADF传递。但ADF与NF相比离光导波路稍远，因此传递的光信号也相对较弱，ADF的谐振波长偏离也较小。这样，光信号就会与ADF谐振，向元件的输出端口传递。

当反向输入波长λ0的強光信号时，由于ADF的谐振波长大大偏离λ0，因此ADF向正向侧光导波路输出的光信号大幅减弱。这样，NF就不会发生谐振波偏离现象，光信号几乎全被NF吸收。也就是说，几乎不输出光信号。

实际制成的“光二极管”在SiO2基板上形成了约500nm宽的硅光导波路。在环形谐振器的半径上，NF、ADF均为5μm，但在与正向输入侧光导波路的距离上，NF为470nm，ADF为600nm，二者有所不同。谐振波长λ0为1630nm等。使用约85μW的强光信号时，正向和反向的输出差为20dB。输入信号为850μW时，输出差为29dB。

该元件尽管是无源元件，但为了使NF与ADF的谐振波一致，还在NF周围设置了使用钛（Ti）的片上加热器，对NF的谐振波长实施微调整。（记者：野泽哲生，《日经电子》）

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