基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器

【摘要】随着光通信技术的飞速发展,高密度集成、高可靠性、智能化和低成本的集成光互连网络成为光通信系统的发展方向,光互连代替电互连成为了一种必然趋势。由于光子器件可以突破摩尔定律的限制,在增加数据传输量和传输速率的同时,还具有节省功耗、防止频率串扰的优点；不仅能保证长距离互连的密度、数据传输的准确性,还能实现超小尺寸器件的大规模集成,成为了目前国内外的研究热点。绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)材料的高折射率差、光场局域能力强、波导的弯曲损耗小,有利于制备超小尺寸的器件结构。此外,SOI材料与CMOS工艺兼容,可实现集成光子器件的高密度集成、超小型化、批量化生产。基于SOI材料的光学谐振腔在滤波、光开关、调制器、探测器等集成光互连网络主要部件中具有广泛应用。然而,基于跑道型谐振腔的电光调制器相关研究较少。因此,本文顺应硅基集成光互连网络的发展趋势,针对网络中的重要功能器件一电光调制器,开展了基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器的相关研究,充分利用了跑道型谐振腔长耦合区域的优势,有效提高了调制器的消光比、调制深度以及调制速率等性能。本文利用Rsoft和FDTD仿真软件对脊型波导的单模杰及光场在跑道型谐振腔内的传输情况进行了仿真,并分析了跑道型谐振腔的谐振特性以及独特的模式分离特性,设计了调制器的光学结构。分析了P-I-N结的导电机理以及等离子体色散效应,确定了载流子浓度变化与波导折射率系数变化的相互关系,并利用SilvicoTCAD软件对P-I-N结的I-V特性进行了仿真,确定了基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器的电学结构参数。然后根据设计的跑道型谐振腔及P-I-N结结构参数,结合MEMS加工工艺,制备出了完整的基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器芯片。进行了SOI脊型波导跑道型谐振腔的谐振特性及模式分离特性测试,调制器的静态频移特性及动态响应特性测试。通过实验验证了制备出的调制器性能良好,并与同一批加工制备出的环形谐振腔电光调制器进行了对比(环形谐振腔与跑道型谐振腔的周长近似相等),发现跑道型谐振腔的模式分离特性确实有效提高了调制器的消光比、调制深度以及调制速率等性能：在1MHz频率时,跑道型谐振腔调制器对应的消光比为6.99dB、调制深度为80%、上升时间为29ns、下降时间为67ns;环形谐振腔调制器对应的消光比为1.52dB、调制深度为36%、上升时间为41ns、下降时间为72ns。虽然本文中所制备的调制器未达到最为理想的性能指标,其在设计方面的创新性为电光调制器以及谐振腔的其他应用都提供了新思路。
【作者】韦丽萍；
【导师】薛晨阳；
【作者基本信息】中北大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】SOI材料；脊型波导；跑道型谐振腔；模式分离特性；电光调制器；

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