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硅基集成化电光调制器的研究

作　者: 冷月华
导　师: 杨华军
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学
关键词: 集成光通信亚微米SOI光波导电光调制器微环谐振器
分类号: TN761
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

现代光通信技术正在向单片集成高速大容量全光网络的目标发展,由于光学回路的运算速度比电子回路快一万倍,光互连技术成为光通信信息处理的重点课题。如何在同一个高密集芯片上产生光、传输光、探测光、控制光、应用光成为国际学术界的研究热点,那么核心问题就是集成。Si是目前大规模用于电子集成技术的材料,在光通信波长范围内具有很好的光透性,同时它具有高折射率,利于实现高折射率差系统结构,适合制作各种结构紧凑的光波导器件,另外其工艺与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,便于实现光子、光电子集成。大规模集成光路要求器件的结构紧凑、性能优越、工艺成熟、成本低廉,那么绝缘体上硅(SOI)技术是合适的选择。为了能够实现硅基高密集集成光路,减小光波导的尺寸是必然的趋势。研究亚微米SOI光波导的光传输特性以及基于亚微米SOI光波导的各种器件成为国际学术界的难点、热点。微环谐振器是集成光路中最重要的器件之一,单一器件能实现多种功能,例如滤波、开关和调制器等,是光分插复用的基本单元；电光调制器和电光开关分别调制光信号和路由光信号,是全光网络的关键器件。因此,硅基集成化电光调制器的研究为集成化光网络实现商用提供了技术理论支持。本文在以分析设计高性能SOI电光调制器为目的的基础上,使用三维全矢量虚位移束传输法对亚微米SOI光波导的模式特性及偏振特性作了严格的计算,实验结果证明本文的方法简单,结果准确,与现有文献相比更切合实验结果。同时,本文采用散射矩阵法及时域有限差分算法对微环谐振腔各性能参数进行了系统的分析推导和仿真模拟,得出微环谐振腔的耦合系数与消光比、3dB带宽及Q值之间的关系,结合SOI脊形波导的传输特性分析结果,设计实现了高性能微环谐振器,其自由光谱范围9.86nm,消光比11.43dB,3dB带宽0.11nm,其Q值高达14061,与理论推导及数值分析结果吻合较好。在高性能微环谐振单元的基础上,本文采用PIN二极管作为电学结构,利用Si材料的等离子色散效应改变材料的有效折射率,从而获得电光调制器的谐振峰偏移,实现了电光调制单元,在偏压1.2V时,谐振峰发生0.51nm的蓝移,器件的消光比达到11.43dB,调制器的调制深度为92.8%,实验测得其瞬态开关上升时间为0.29μs,是相同测试频率下,国内同类器件中上升速度最快的电光调制器。本文研究结果表明,亚微米SOI脊形波导由于结构的特殊性而能够表现良好的单模特性,其传输损耗小,适合做高速电光器件。采用亚微米SOI光波导设计的基于微环谐振腔的电光调制器具有结构简单、器件尺寸小、工艺制作简单可行等特点。在当代集成光通信领域将具有更广阔的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-21
  1.1 集成光网络的发展  11-12
  1.2 硅基光子学  12
  1.3 光上下路复用  12-13
  1.4 光开关与调制器  13-16
  1.5 SOI光波导技术  16
  1.6 SOI光波导微调制器件  16-20
    1.6.1 热光调制器  17
    1.6.2 电光调制器  17-20
  1.7 论文的主要内容以及创新点  20-21
第二章数值分析法  21-27
  2.1 引言  21
  2.2 时域有限差分法  21-24
  2.3 三维全矢量虚位移束传输法  24-27
第三章亚微米SOI波导特性分析  27-36
  3.1 分析模型的建立  27-29
  3.2 矩形波导  29-32
    3.2.1 模式特性  29-30
    3.2.2 偏振特性  30-32
  3.3 脊形波导  32-34
    3.3.1 模式特性  32-33
    3.3.2 偏振特性  33
    3.3.3 界面模式转换  33-34
  3.4 传输损耗与弯曲损耗  34-35
  3.5 小结  35-36
第四章光学结构设计  36-51
  4.1 MZI结构  36-37
  4.2 亚微米环形谐振腔  37-49
    4.2.1 基本结构  38
    4.2.2 散射矩阵法  38-39
    4.2.3 环形谐振腔性能分析  39-42
    4.2.4 环形谐振腔性能参数  42-47
    4.2.5 数值分析  47-49
  4.3 TIPPER设计  49-50
  4.4 小结  50-51
第五章电学结构分析及版图设计制作  51-60
  5.1 电学结构分析  51-56
    5.1.1 硅的等离子色散效应  51-52
    5.1.2 载流子的运动及分布  52
    5.1.3 PIN二极管  52-53
    5.1.4 电学结构的静态特性  53-56
  5.2 工艺介绍  56
  5.3 版图设计及工艺流程  56-60
第六章器件测试及结果分析  60-74
  6.1 测试环境  60-62
  6.2 调制器待测试参数  62-63
  6.3 亚微米光波导模式及偏振特性测试  63-65
  6.4 微环谐振腔性能测试及实验结果分析  65-69
  6.5 调制器测试及实验结果分析  69-73
    6.5.1 电光调制器的静态特性  70
    6.5.2 调制器的动态特性  70-73
  6.6 小结  73-74
第七章总结与展望  74-76
  7.1 全文总结及主要贡献  74-75
  7.2 下一步工作和未来研究方向  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-80
攻硕期间取得的研究成果  80-81

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