全硅高階電光調(diào)制器與光電探測(cè)器的研究.pdf

1、在未來(lái)光通信系統(tǒng)中，光電混合集成是必然趨勢(shì)，而作為光傳輸網(wǎng)絡(luò)中電光、光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，調(diào)制器和探測(cè)器的性能影響著整個(gè)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(shì)，已經(jīng)成為光通信調(diào)制和探測(cè)技術(shù)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(duì)光調(diào)制和吸收的效應(yīng)較弱，如果對(duì)這兩方面性能的提升進(jìn)行研究，將會(huì)具有很大的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。本論文針對(duì)現(xiàn)有硅基調(diào)制器和探測(cè)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(jiǎn)單、成本更低）為基礎(chǔ)，在速率、功耗、尺寸等主要指標(biāo)以及器件加工的可行性、簡(jiǎn)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(shù)支撐。
　　全硅電光調(diào)制器主要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本論文研究的調(diào)制器主要以馬赫曾德?tīng)柛缮嫫鹘Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以減小調(diào)制器尺寸、降低功耗、提升調(diào)制帶寬和調(diào)制效率、降低信號(hào)誤碼率等性能為目標(biāo)，同時(shí)兼顧其封裝和

3、與其它硅器件的芯片級(jí)集成等實(shí)用性。本論文研究的調(diào)制器，從設(shè)計(jì)模塊來(lái)劃分，包括器件的光學(xué)部分、電學(xué)部分和熱光部分。調(diào)制器的光學(xué)部分包括調(diào)制單元和分光器。對(duì)于調(diào)制單元，重點(diǎn)分析受限于硅中心反演結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電光調(diào)制效應(yīng)很弱的問(wèn)題。通過(guò)在硅波導(dǎo)中嵌入p-n結(jié)，利用其在反向偏壓下的等離子色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、高效調(diào)制。對(duì)于分光器，重點(diǎn)解決馬赫曾德?tīng)杻杀鄣墓饽芰烤庑詥?wèn)題，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制深度最大。通過(guò)采用多模干涉（MMI）結(jié)構(gòu)，利用其自映像效應(yīng)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(diào)制器的電學(xué)部分則涉及行波電極與末端匹配電阻的設(shè)計(jì)?；隈R赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)的調(diào)制器長(zhǎng)度通常為幾個(gè)毫米，需要考慮在信號(hào)傳輸方向上微波與光波的相位匹配和在波導(dǎo)橫截面內(nèi)微波模場(chǎng)與光波模場(chǎng)的交疊。通過(guò)對(duì)單驅(qū)動(dòng)推挽式行波電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得微波信號(hào)反射降低，調(diào)制器帶寬提高。與行波電極設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮的是末端阻抗匹配設(shè)計(jì)，即在行波電極末端嵌入匹配電阻，以減小微波信號(hào)在電極末端的反射。本論文采用內(nèi)嵌重?fù)诫s硅電阻的設(shè)

5、計(jì)，摸索出同等重?fù)诫s濃度、寬度、深度下的最佳長(zhǎng)度，以使得加工好的內(nèi)嵌電阻的特征阻抗穩(wěn)定在50Ω附近。調(diào)制器熱光部分主要就是基于熱光效應(yīng)的移相器，本論文重點(diǎn)考慮如何在高階調(diào)制中減少移相器數(shù)量和降低單個(gè)移相器π相移功率問(wèn)題。高階調(diào)制（如正交相移鍵控QPSK、正交幅度調(diào)制QAM等）是指多幅度多相位調(diào)制，即與傳統(tǒng)調(diào)制（如開(kāi)關(guān)鍵控 OOK，二進(jìn)制相移鍵控 BPSK等）只對(duì)幅度或相位進(jìn)行二進(jìn)制控制的方法相比，可以成倍提高調(diào)制信號(hào)速率。而移相器的結(jié)構(gòu)

6、設(shè)計(jì)則是高階調(diào)制器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本論文通過(guò)研究不同移相器之間的相位關(guān)聯(lián)性，采用組合控制手段實(shí)現(xiàn)QPSK調(diào)制，使得移相器數(shù)量比采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制移相設(shè)計(jì)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(chǎn)生的熱量更集中于波導(dǎo)上，從而使得熱移相效率更高。最后對(duì)制備的全硅高階調(diào)制器進(jìn)行了不同調(diào)制速率、不同調(diào)制格式的測(cè)試，信號(hào)格式包括OOK、BPSK和QPSK，驅(qū)動(dòng)信號(hào)速率包括10Gb/s

7、、20Gb/s、25Gb/s、32Gb/s，并檢驗(yàn)了64Gb/s的QPSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)10km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后的質(zhì)量。與目前報(bào)道的全硅 QPSK調(diào)制器相比，本論文提出的器件在滿足了調(diào)制速率、誤碼率等主要指標(biāo)的情況下，大幅縮小了器件的尺寸（<5mm2）、降低了功耗（~7.1pJ/bit）、簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，更有利于集成和封裝。
　　全硅光電探測(cè)器主要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。探測(cè)器響應(yīng)度和帶寬是全硅光電探測(cè)器的核心指標(biāo)，本論文圍繞這

8、兩個(gè)核心指標(biāo)，從硅材料特性、探測(cè)機(jī)理（表面態(tài)吸收、雙光子吸收）和結(jié)類(lèi)型（交趾型p-n結(jié)、n-p-n結(jié)、橫向p-n結(jié)）等方面予以深入研究。由于受限于硅的間接能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)能隙大于通信波長(zhǎng)光子能量，其光電轉(zhuǎn)換效果很弱。而在硅波導(dǎo)表面，由于晶格周期性勢(shì)場(chǎng)的破壞，在帶隙中形成了多個(gè)新的能級(jí)，從而可發(fā)生表面態(tài)吸收（SSA）過(guò)程產(chǎn)生光電流。另外，在硅微盤(pán)諧振腔結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)的強(qiáng)光能量會(huì)導(dǎo)致非線性效應(yīng)，從而可發(fā)生雙光子吸收（TPA）過(guò)程產(chǎn)生光電流。但全

9、硅探測(cè)響應(yīng)度仍然較商用探測(cè)器低，需要通過(guò)電流增益效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)光電流。本論文主要設(shè)計(jì)并制備了四種全硅探測(cè)器：交趾型p-n結(jié)波導(dǎo)探測(cè)器、n-p-n結(jié)波導(dǎo)探測(cè)器、交趾型p-n結(jié)微盤(pán)探測(cè)器、橫向p-n結(jié)微盤(pán)探測(cè)器。首先，基于SSA效應(yīng)，本論文設(shè)計(jì)了一種在波導(dǎo)中嵌入交趾型 p-n結(jié)的波導(dǎo)探測(cè)器。交趾型 p-n結(jié)是在與硅波導(dǎo)中光傳播方向垂直的橫截面內(nèi)嵌入的一種p-n結(jié)。在反向偏壓下，由于交趾型p-n結(jié)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)硅波導(dǎo)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(jié)和橫向p-n結(jié)方式有了較大提升。為了進(jìn)一步提高基于SSA效應(yīng)的硅波導(dǎo)探測(cè)器性能，本論文通過(guò)縮小波導(dǎo)寬度來(lái)提高光能量在波導(dǎo)側(cè)壁的吸收，通過(guò)增加摻雜濃度來(lái)增強(qiáng)雪崩效應(yīng)和通過(guò)縮短器件長(zhǎng)度來(lái)提高帶寬，同時(shí)通過(guò)選擇合適的工作偏壓來(lái)平衡器件的性能和穩(wěn)定性。其次，同樣基于SSA效應(yīng)，本論文還研究了n-p-n結(jié)波導(dǎo)探測(cè)器。與前一種使用雪崩效應(yīng)進(jìn)行電流放大的探測(cè)器不同，此結(jié)構(gòu)利用晶體管增益的方式，以實(shí)現(xiàn)更低偏壓下

11、光電流的線性放大。同時(shí)由于不需要離子化積累過(guò)程，電流放大過(guò)程中無(wú)過(guò)剩噪聲影響。再次，本論文還設(shè)計(jì)了基于TPA效應(yīng)的交趾型p-n結(jié)微盤(pán)探測(cè)器，在較低摻雜濃度的結(jié)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)、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(yīng)被有效抑制，從而使得探測(cè)響應(yīng)度增加。最后，仍然基于TPA效應(yīng)，本論文設(shè)計(jì)了橫向p-n結(jié)微盤(pán)探測(cè)器，主要思路是在微盤(pán)上特殊設(shè)計(jì)橫向p-n結(jié)的位置，使得微盤(pán)中的回音壁模式（WGMs）光模場(chǎng)與電場(chǎng)的重