基于光微环谐振器的硅基电光调制器的设计及实现

论文摘要

电光调制器是光纤通信网络中的核心元件,目前通信网络中广泛应用的调制器是用LiNbO3或III-V族化合物制作的,由于与传统的COMS工艺不兼容,器件制作成本很高。硅材料广泛而廉价,硅基工艺技术成熟,若能设计制作出硅基的电光调制器,就能大大降低成本。另一方面,集成电路中传统的电互连正面临传输的瓶颈,以光互连代替电互连将是今后的一大发展趋势。硅基电光调制器的研制可以推动硅基光互联技术的发展,而且方便与微电子集成电路混合集成。因此,从片上集成和互联的角度出发,研究硅基光波导电光调制器也十分有意义。本文阐述了基于光微环谐振器的硅基电光调制器的原理。利用传输矩阵法,研究了光微环谐振器的基本原理和性质,深入分析了影响微环谐振器性能的各个因素,详细阐述了光耦合系数与环内衰减因子对微环谐振器滤波特性的影响。为了避免模间色散对器件性能的影响,采用波导设计软件Rsoft的BPM模块进行模拟计算,设计了满足单偏单模的脊型截面纳米线波导结构。利用软件Rsoft的FDTD模块对波导的传输损耗、弯曲损耗以及与光纤的耦合损耗进行了模拟计算,设计了减小损耗的结构尺寸。芯片测试结果显示,实现了3dB带宽约为0.158nm,消光比约为9.753dB, FSR约为10nm,端面耦合损耗约为5.5dB/facet,并且只支持TE偏振态的基模传输的硅基光微环谐振器,为制作硅基电光调制器做了充分准备。本文根据等离子色散效应,对调制器的电学结构-pin二极管做了详细的分析和数值模拟仿真,设计了满足电光调制要求的pin结构。仿真软件采用的是synopsys公司的ISE-TCAD。最后,利用性能优越的pin二极管,结合高性能的光微环谐振器,最终设计并实现了基于光微环谐振器的硅基电光调制器,测试结果显示,调制速率可达20kHz、调制深度11.723dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 硅基电光调制器的研究现状
• 1.3 本文的目的和各部分的主要内容
• 2 光波导模式特性分析及脊型波导单模单偏条件
• 2.1 麦克斯韦方程物质方程边界条件
• 2.2 三层均匀平板波导
• 2.2.1 标量亥姆霍兹方程
• 2.2.2 三层平板波导的模式方程和模场解
• 2.3 脊型波导 有效折射率法
• 2.4 硅基脊型波导的单模特性
• 3 光微环谐振器滤波特性分析及性能优化
• 3.1 光微环谐振器的基本原理
• 3.2 基于光微环谐振器的硅基电光调制器的基本原理
• 3.3 光微环谐振器滤波特性分析
• 3.3.1 传输矩阵法
• 3.3.2 单环滤波特性
• 3.3.3 耦合系数和损耗对微环滤波性能的影响
• 3.3.4 耦合系数的定义及计算
• 3.4 微环谐振器性能优化
• 3.4.1 直波导传输损耗
• 3.4.2 弯曲波导的辐射损耗
• 3.4.3 波导与光纤的耦合损耗
• 4 硅基电光调制器电学结构特性的研究
• 4.1 硅的等离子色散效应
• 4.2 pin电学调制结构设计
• 4.2.1 几种电学调制结构的介绍
• 4.2.2 pin电学调制结构的分析、模拟和设计
• 4.3 pin电光调制中热光效应的影响
• 5 硅基微环谐振器与电光调制器的制作和测试
• 5.1 制作工艺介绍
• 5.2 硅基微环谐振器的制作与测试
• 5.2.1 硅基微环谐振器的制作
• 5.2.2 硅基微环谐振器的测试
• 5.3 硅基电光调制器的制作与测试
• 5.3.1 硅基电光调制器的制作
• 5.3.2 硅基电光调制器的测试
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献