全硅高階電光調制器與光電探測器的研究.pdf

1、在未來光通信系統(tǒng)中，光電混合集成是必然趨勢，而作為光傳輸網絡中電光、光電轉換的關鍵器件，調制器和探測器的性能影響著整個光通信系統(tǒng)。硅基材料光器件以其低功耗、低成本、微型化和與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容的優(yōu)勢，已經成為光通信調制和探測技術發(fā)展中不可或缺的一部分。與傳統(tǒng)非硅材料（如磷化銦、砷化鎵等）相比，硅材料本身對光調制和吸收的效應較弱，如果對這兩方面性能的提升進行研究，將會具有很大的學術價值和應用前景。本論文針對現(xiàn)有硅基調制器和探測器的不足，

2、以全硅材料（即在器件制備中不使用除了硅、二氧化硅和金屬鋁電極以外的材料，使得制備工藝更簡單、成本更低）為基礎，在速率、功耗、尺寸等主要指標以及器件加工的可行性、簡易性和工作穩(wěn)定性上做了深入研究，為高性能全硅發(fā)送接收器的集成提供技術支撐。
　　全硅電光調制器主要實現(xiàn)電信號到光信號的轉換。本論文研究的調制器主要以馬赫曾德爾干涉器結構為基礎，以減小調制器尺寸、降低功耗、提升調制帶寬和調制效率、降低信號誤碼率等性能為目標，同時兼顧其封裝和

3、與其它硅器件的芯片級集成等實用性。本論文研究的調制器，從設計模塊來劃分，包括器件的光學部分、電學部分和熱光部分。調制器的光學部分包括調制單元和分光器。對于調制單元，重點分析受限于硅中心反演結構導致電光調制效應很弱的問題。通過在硅波導中嵌入p-n結，利用其在反向偏壓下的等離子色散效應來實現(xiàn)快速、高效調制。對于分光器，重點解決馬赫曾德爾兩臂的光能量均衡性問題，以實現(xiàn)調制深度最大。通過采用多模干涉（MMI）結構，利用其自映像效應可以使得分光能

4、量更均勻、分光器尺寸更小、插入損耗更低。調制器的電學部分則涉及行波電極與末端匹配電阻的設計?；隈R赫曾德爾結構的調制器長度通常為幾個毫米，需要考慮在信號傳輸方向上微波與光波的相位匹配和在波導橫截面內微波模場與光波模場的交疊。通過對單驅動推挽式行波電極結構的設計，使得微波信號反射降低，調制器帶寬提高。與行波電極設計需要同時考慮的是末端阻抗匹配設計，即在行波電極末端嵌入匹配電阻，以減小微波信號在電極末端的反射。本論文采用內嵌重摻雜硅電阻的設

5、計，摸索出同等重摻雜濃度、寬度、深度下的最佳長度，以使得加工好的內嵌電阻的特征阻抗穩(wěn)定在50Ω附近。調制器熱光部分主要就是基于熱光效應的移相器，本論文重點考慮如何在高階調制中減少移相器數(shù)量和降低單個移相器π相移功率問題。高階調制（如正交相移鍵控QPSK、正交幅度調制QAM等）是指多幅度多相位調制，即與傳統(tǒng)調制（如開關鍵控 OOK，二進制相移鍵控 BPSK等）只對幅度或相位進行二進制控制的方法相比，可以成倍提高調制信號速率。而移相器的結構

6、設計則是高階調制器的關鍵環(huán)節(jié)之一。本論文通過研究不同移相器之間的相位關聯(lián)性，采用組合控制手段實現(xiàn)QPSK調制，使得移相器數(shù)量比采用傳統(tǒng)QPSK調制移相設計方法使用的數(shù)量減少三分之一。為了降低功耗，本論文還采用了深硅刻蝕隔熱的方法以使其熱量傳播的方向性更好，產生的熱量更集中于波導上，從而使得熱移相效率更高。最后對制備的全硅高階調制器進行了不同調制速率、不同調制格式的測試，信號格式包括OOK、BPSK和QPSK，驅動信號速率包括10Gb/s

7、、20Gb/s、25Gb/s、32Gb/s，并檢驗了64Gb/s的QPSK調制信號經過10km標準單模光纖傳輸后的質量。與目前報道的全硅 QPSK調制器相比，本論文提出的器件在滿足了調制速率、誤碼率等主要指標的情況下，大幅縮小了器件的尺寸（<5mm2）、降低了功耗（~7.1pJ/bit）、簡化了測試系統(tǒng)，更有利于集成和封裝。
　　全硅光電探測器主要實現(xiàn)光信號到電信號的轉換。探測器響應度和帶寬是全硅光電探測器的核心指標，本論文圍繞這

8、兩個核心指標，從硅材料特性、探測機理（表面態(tài)吸收、雙光子吸收）和結類型（交趾型p-n結、n-p-n結、橫向p-n結）等方面予以深入研究。由于受限于硅的間接能帶結構，同時能隙大于通信波長光子能量，其光電轉換效果很弱。而在硅波導表面，由于晶格周期性勢場的破壞，在帶隙中形成了多個新的能級，從而可發(fā)生表面態(tài)吸收（SSA）過程產生光電流。另外，在硅微盤諧振腔結構中，存儲的強光能量會導致非線性效應，從而可發(fā)生雙光子吸收（TPA）過程產生光電流。但全

9、硅探測響應度仍然較商用探測器低，需要通過電流增益效應來增強光電流。本論文主要設計并制備了四種全硅探測器：交趾型p-n結波導探測器、n-p-n結波導探測器、交趾型p-n結微盤探測器、橫向p-n結微盤探測器。首先，基于SSA效應，本論文設計了一種在波導中嵌入交趾型 p-n結的波導探測器。交趾型 p-n結是在與硅波導中光傳播方向垂直的橫截面內嵌入的一種p-n結。在反向偏壓下，由于交趾型p-n結內強電場對硅波導表面的大范圍覆蓋，光電流獲得的有效

10、增益得到增加，比起傳統(tǒng)的嵌入 p-i-n結和橫向p-n結方式有了較大提升。為了進一步提高基于SSA效應的硅波導探測器性能，本論文通過縮小波導寬度來提高光能量在波導側壁的吸收，通過增加摻雜濃度來增強雪崩效應和通過縮短器件長度來提高帶寬，同時通過選擇合適的工作偏壓來平衡器件的性能和穩(wěn)定性。其次，同樣基于SSA效應，本論文還研究了n-p-n結波導探測器。與前一種使用雪崩效應進行電流放大的探測器不同，此結構利用晶體管增益的方式，以實現(xiàn)更低偏壓下

11、光電流的線性放大。同時由于不需要離子化積累過程，電流放大過程中無過剩噪聲影響。再次，本論文還設計了基于TPA效應的交趾型p-n結微盤探測器，在較低摻雜濃度的結內強電場、大耗盡區(qū)域作用下，由于自由載流子濃度的大幅度降低，自由載流子吸收（FCA）效應被有效抑制，從而使得探測響應度增加。最后，仍然基于TPA效應，本論文設計了橫向p-n結微盤探測器，主要思路是在微盤上特殊設計橫向p-n結的位置，使得微盤中的回音壁模式（WGMs）光模場與電場的重