基于SOI的波导型微环电光调制器的研究

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随着全球通信网络技术的高速发展,光互连以其宽频带、低损耗、抗干扰等优势逐渐成为代替传统电互连的理想通信方式。在整个光通信系统中,光调制器作为核心器件之一,其性能对整个通信系统的质量具有重要意义。由于近几年来硅基光电子的高速发展,以及硅基光电子器件的微加工工艺与CMOS工艺相兼容的优势,高速硅基电光调制器已经成为产业界、学术界的研究热点。绝缘体上的硅(Silicon oninsulator,SOI)具有特殊的“硅/二氧化硅/硅”结构产生的较大折射率差使其具有良好的波导特性。本文基于SOI基片设计并加工了硅基微环电光调制器,采用小截面脊形波导结合微环谐振腔的结构,具有小尺寸、高性能、易集成的优点。为了提高脊形波导中的光传输速率,首先通过理论和仿真确定了SOI脊形波导的单模条件,运用传输矩阵法对微环谐振腔的传输特性进行了理论分析和公式推导,并且得出微环谐振腔的性能参数与其关键尺寸之间的关系。在比较分析了硅基电光调制器常用的电学结构之后,确定本文采用调制速度相对较快的反向偏压PN耗尽型结构。确定光学结构和电学结构之后,接着设计了硅基微环电光调制器的版图,包括光栅耦合器、不同参数的微环谐振腔、匹配电阻和集总电极等。为了减少微波反射,理论计算并通过样片实验设计了工艺较为稳定的片上50Ω匹配电阻。使用Sivalco对关键工艺进行了仿真和参数的提取,详细阐述了调制器的加工工艺流程、关键工艺的原理和操作。最终完成了基于载流子耗尽机制的硅基微环电光调制器的制备。通过光学垂直耦合平台测得每个微环谐振腔的透射谱,作图分析计算了每一个器件的特性参数。实验结果表明,微环谐振腔的自由光谱范围、品质因数等性能参数与微环半径、直波导与微环的距离的关系与理论分析的结果相符合。接着对调制器进行静态特性测试,主要是测试器件的PN结和匹配电阻是否正常工作,验证不同偏压下输出光谱的红移和蓝移。实验结果表明,在1550nm波段,微环半径为10?m、微环和直波导间距为300nm的调制器,其消光比为16.5d B,品质因数为12090,微环谐振腔具有很好的传输特性。对该调制器进行动态特性测试,测得最高调制速率为30Gbit/s。
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