硅基微環(huán)諧振腔中的光調(diào)控研究.pdf

1、硅基芯片作為超大規(guī)模集成電路的基本組成部分，在現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展中一直占據(jù)主導地位。隨著高性能計算要求的提高及數(shù)據(jù)中心互連密度的上升，銅線作為傳統(tǒng)互連媒介從帶寬、損耗以及抗干擾等方面越來越顯現(xiàn)出其局限性。為打破這種極限，光互連被認為是一種有前途的解決方案。硅基光子集成器件由于可利用現(xiàn)有標準半導體制造工藝較為廉價地制備并方便與微電子芯片集成，成為實現(xiàn)光互連的首要候選，具有巨大發(fā)展前景。
　　 近年來，基于絕緣體上硅結構(SOI)的無

2、源與有源器件的研究齊頭并進，成為光電子領域最熱門的方向之一。硅基光子技術不僅能夠為光通信系統(tǒng)提供光電集成解決方案，而且還快速拓展于能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物、傳感等領域。其中，微環(huán)諧振腔是硅基光子技術中最重要的器件之一。由于微環(huán)腔體的形成不需要腔面，使其具有顯而易見的可集成優(yōu)勢，其微納尺寸可以支持大規(guī)模單片光電集成。本論文首先詳細介紹微環(huán)諧振腔的基本理論與特性測試，然后對具有模式分裂的微環(huán)諧振腔進行理論分析并建模。最后，利用這種具有模式分裂

3、的微環(huán)諧振腔分別實驗演示了可調(diào)光延遲線和理論設計了電光調(diào)制器。概括全文的研究成果與貢獻，可以總結為以下幾個方面:
　　 1.硅基微環(huán)諧振腔中模式分裂的建模分析
　　 1)基于耦合模理論(CMT)，對硅基微環(huán)諧振腔中的模式分裂現(xiàn)象進行分析。首先討論了微環(huán)中順時針與逆時針傳播的模式之間相互耦合的產(chǎn)生原因，通過引入耦合系數(shù)μ研究了耦合強度對模式分裂的影響。研究表明μ值越高，模間耦合強度越大，模式分裂現(xiàn)象越明顯。
　　

4、2)將硅基微環(huán)諧振腔側壁褶皺近似為布拉格光柵組合，對側壁褶皺所引起的模式分裂現(xiàn)象進行建模。在模型中，側壁褶皺被認為是由凸起高度為30-50nm，周期為～100nm的光柵組合而成。模式分裂通過在微環(huán)諧振腔的頻譜響應中引入光柵的反射特性來分析，并與實驗數(shù)據(jù)擬合，驗證了模型的準確性。
　　 2.硅基微環(huán)諧振腔中實驗演示可調(diào)光延遲線
　　 1)在單波導耦合的模式分裂硅基微環(huán)諧振腔的反射端口實驗演示可調(diào)慢光延遲。對于單波導耦合的微

5、環(huán)諧振腔的透射端口(Throughport)，當輸入光脈沖的中心波長位于產(chǎn)生的兩個分裂諧振峰上，其群速度色散為負值。在反射端口(Reflectionport)，微環(huán)諧振峰處的群速度色散為正值，而且慢光延遲可調(diào)。我們首次實驗驗證了光脈沖在微環(huán)反射端口的延遲特性，延遲量達到25ps。
　　 2)在雙波導耦合的模式分裂硅基微環(huán)諧振腔中實驗演示快慢光連續(xù)可調(diào)。在下行端口(Dropport)的兩個分裂諧振峰處的群延遲為正值，而在兩個分裂的

6、諧振峰之間，群延遲為負值。因此，當光脈沖的中心波長從諧振峰處移動到諧振峰之間時，光脈沖從慢光延遲轉變?yōu)榭旃馇耙?。我們首次實驗演示了利用硅波導中的熱光效應實現(xiàn)連續(xù)快慢光可調(diào)延遲線，光脈沖串連續(xù)地從前移6ps變化為延遲29ps。
　　 3)實驗演示了一種增強快光效應的微環(huán)諧振腔結構。通過將欠耦合的微環(huán)諧振腔結構與薩格納克（Sagnac）環(huán)相連，輸入光通過微環(huán)諧振系統(tǒng)兩次，群延遲絕對值增加一倍，快光效應由此增強。實驗中采用微納光纖代替

7、硅波導，概念性實驗演示了5Gb/s歸零(Rz)脈沖串的快光特性，前移量為25ps。
　　 3.基于模間耦合可調(diào)微環(huán)諧振腔，設計高調(diào)制深度、低功耗的硅基電光調(diào)制器
　　 1)在跑道型硅基微環(huán)的部分區(qū)域刻蝕周期性圓孔構成可調(diào)光柵，實現(xiàn)模間耦合可調(diào)?？烧{(diào)光柵的存在導致后向傳播行波產(chǎn)生并與前向傳播行波發(fā)生耦合。通過硅基自由載流子效應調(diào)制光柵的等效折射率，使得光柵反射頻譜發(fā)生藍移，微環(huán)諧振峰處的光柵反射率隨之發(fā)生變化。光柵反射率越