光通信系统与光电子芯片（光电子芯片是如何与硅基波导集成的）

硅基光电子技术可以使得光模块的尺寸显著减小，能够满足小封装需求，在未来非常有潜力。SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。目前，SOI材料的制作工艺成熟，顶层Si膜厚度不受限制，可制作大截面SOI光波导，从而降低耦合损耗。SOI材料用于光波导器件有许多优势：

（1）SOI与Si工艺兼容，便于光子和电子集成；

（2）可制作三维结构和大规模集成；

（3）损耗小，具有良好的波导特性；

（4）用于光互连，光学回路的运算速度比电子回路快1万倍；

（5）抗辐射，可在空间和军事上应用。

目前，光电子芯片多采用III-V族材料制作，下面简单介绍III-V族光电子芯片与SOI波导的耦合方法。

1、光电子芯片与SOI芯片直接耦合技术

最直接最简单的方式是将III-V族芯片直接粘合到SOI芯片上，通过刻蚀面或解理面将光耦合进SOI波导中。

或者是将III-V族芯片和SOI芯片都粘合在一个分立的硅基光学平台（SiOB）上。这种通用方法适用于各种尺寸和形式的SOI波导和III-V族芯片，可应用于实验室小规模样品研制和批量生产，具有良品率高和成本低的优点。这种集成方法的好处还在于，在集成之前可以预先测试各分立元器件的性能，而且用于控制光芯片的电芯片也可以用同样的方法集成到SOI或SiOB之上。

2、外延层剥离和层转移技术实现异质结外延生长技术

另一种方法为亚微米级厚度SOI波导上的III-V族薄膜材料的外延层剥离（lift-off）和层转移（layer transfer）异质集成技术。

在具有取向的晶体上生长单晶薄膜的外延技术是制备半导体光子器件的关键技术。这种技术可以在相同的单晶材料上进行同质外延生长，也可以在不同的单晶材料上进行异质外延生长。同质外延材料间具有相同的晶格常数，通常生长质量高、缺陷少。

相比之下，异质外延材料间具有不同的晶格常数和热膨胀系数，导致外延结构产生高密度缺陷。III-V族光电芯片与SOI芯片异质集成即存在此问题，也限制了该方法的发展。

一个温和的解决方案是将生长的外延层从基板上剥离和转移，这项技术使得高度不匹配的材料系统的异质集成成为可能。Lift-off技术可将III-V族材料外延层薄膜转移到SOI衬底上，再在薄膜上进行外延材料生长，从而实现III-V族光电子芯片与SOI波导的单片集成。SOI光子集成回路（PIC）中的III-V族层转移技术已在激光器、波长转换器、集成光电探测器、全光调制器等领域证明可行。

此外，在III-V族芯片有源层和SOI波导之间生长极其薄的结合层可确保了二者之间的倏逝波耦合。通常光波导利用的是全反射原理。常见的三层波导结构，芯层的折射率要高于包层折射率，光在折射率高的芯层介质向折射率低的包层介质传输时，在满足全反射角度条件时会被反射回来继续在芯层内传输，即光被限制在了芯层中。

然而，光的反射实际上并不是发生在两种材料的界面处，入射光会经过界面继续延伸到包层中约一个波长的深度后，再反射进入高折射率的芯层，反射面与入射面会存在一个波长量级的位移，即古斯-哈森[Goos-Hänchen]位移（在满足全反射条件下，由介质界面反射光束在入射平面内的空间移动）。这个延伸的深度和位移的光的能量，称为倏逝波，或叫隐失波、消失波，分光镜就是利用倏逝波原理制造的。

当低折射率的包层足够薄时，薄到一个波长量级的厚度，那么此时入射到包层的光不会被全部反射回去，而是透射，此时，如果我们在下面设计一个条形波导，那么光就会进入新的波导，并在其中传输，这个过程就称为倏逝波耦合。

当低折射率层薄到远远小于波长的厚度时，那么会产生一个很有意思的现象，此时入射进该层的光既不会反射也不会折射，而是被限制在窄层中，即硅波导中所说的狭缝波导（在两个高折射率的硅波导中间嵌入低折射率的空气或SiO2材料），也称槽波导。