硅基光調(diào)控及耦合器研究.pdf

1、在電子行業(yè)中,硅基芯片占據(jù)著主導(dǎo)地位,給世界帶來了革命性的變化。一塊指甲大的硅基電子芯片上單元器件的數(shù)量以摩爾定律快速地增長著:集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個(gè)月便會增加一倍,性能也將提升一倍。然而,隨著數(shù)字通信、互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,對通信器件的帶寬要求越來越高,傳統(tǒng)電器件中的銅互連技術(shù)越來越接近極限,亟待一個(gè)新的互連技術(shù)來打破這個(gè)瓶頸。光通信技術(shù)可以在長距離下傳輸大于1T的信息量,而保持一定的誤碼率,因而全光互連成為一種替代的

2、解決方案。全球的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都掀起了集成光電子芯片的研究熱潮。
　　在所有提出的全光互連的技術(shù)中,基于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)的技術(shù)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。尤其是硅基調(diào)制器的出現(xiàn),突破了硅間接帶隙難以調(diào)制光的障礙,加上硅低成本、結(jié)構(gòu)緊湊、低功率、低損耗以及可以利用已有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)加工技術(shù)等特點(diǎn),使得硅基光子芯片被認(rèn)為是構(gòu)建集成光子器件的理想平臺,有望在未來帶來光通信領(lǐng)域的又一次革命。
　　本論文圍繞

3、硅基納米光器件—硅基光調(diào)控及耦合器,進(jìn)行了深入的研究,展開了如下工作。首先研究了硅基納米光調(diào)制器—相位調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方案,提出了一個(gè)基于低損耗表面等離子體光波導(dǎo)和高非線性聚合物的相位調(diào)制器,并利用該調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了片上高階調(diào)制碼型正交幅度調(diào)制16-QAM的產(chǎn)生;其次利用高光束縛性的表面等離子體波導(dǎo)和高非線性系數(shù)的聚合物實(shí)現(xiàn)了一個(gè)片上的高增益寬帶寬的光參量放大器,實(shí)現(xiàn)光的放大;在光無源器件—耦合器方面,主要針對兩個(gè)不同波導(dǎo)—硅基帶狀波導(dǎo)和硅基狹

4、縫波導(dǎo),設(shè)計(jì)一個(gè)高耦合效率、低耦合長度的正交耦合器。
　　1.硅基電光相位調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法相位調(diào)制器是光通信中最基本也是最不可或缺的一個(gè)元器件。相位調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)將電基帶信號調(diào)制成光相移鍵控 PSK信號,也可以組成各種幅度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光幅度調(diào)制(ASK)。本文采用一個(gè)低損耗高束縛性的硅基表面等離子體波導(dǎo),結(jié)合高非線性系數(shù)的聚合物,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)制電壓·調(diào)制長度積小,調(diào)制帶寬大,功耗低的相位調(diào)制器。
　　2.硅基單片集成16-QA

5、M調(diào)制器高階正交幅度調(diào)制碼型16-QAM因其比普通的幅移鍵控碼(ASK)和差分相移鍵控碼(DPSK)每個(gè)符號攜帶更多的比特信息,從而大大提高傳輸信號的速率,而受到廣泛關(guān)注和研究。本文利用上文提出的表面等離子體相位調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了16-QAM碼型的產(chǎn)生。通過巧妙地利用表面等離子體波導(dǎo)的本征損耗,我們提出的硅基單片集成16-QAM調(diào)制方案節(jié)約了一個(gè)光衰減器,且只用了兩個(gè)相位調(diào)制器,大大簡化了結(jié)構(gòu),插入損耗也比較低。
　　3.片上硅基光參

6、量放大器光放大器是光通信系統(tǒng)中一個(gè)基本器件,類別上分為摻雜增益離子光放大器、拉曼放大器以及光參量放大器(OPA)。前兩者依賴于離子特性或拉曼特性,增益峰值和增益帶寬受到限制。而光參量放大器采用材料的非線性特性,可以達(dá)到很高的增益和很寬的帶寬,并且中心波長可以任意設(shè)置。本文利用表面等離子體波導(dǎo)的高束縛性和高光場增強(qiáng)性,并結(jié)合聚合物的高非線性,獲得了很高的非線性系數(shù)。我們獨(dú)特地引入了一個(gè)負(fù)的非線性系數(shù)的聚合物,滿足了相位匹配條件,從而實(shí)現(xiàn)了

7、一個(gè)帶寬具有約1μm的光參量放大器,約為已有方案的10倍,且其峰值增益可達(dá)20 dB。
　　4.硅基狹縫波導(dǎo)的耦合方案研究硅基狹縫波導(dǎo)可以將光場束縛在小至約50 nm的狹縫中,極大地提高了芯片的集成度,因而引起了廣泛的關(guān)注。研究員們針對硅基狹縫波導(dǎo)提出了許多應(yīng)用,如相位調(diào)制器(PM)、諧振器、濾波器、波長轉(zhuǎn)換器等。然而,由于波矢和光場的不匹配,將光從光纖或其他外部光源如何耦合入只有50 nm的狹縫中是一個(gè)難題。而光纖到硅基帶狀波導(dǎo)