（微电子学与固体电子学专业论文）新型硅基光子晶体调制器研究.pdf

摘要 硅被认为是集成光电子技术重要材料的历史并不长，但在硅材料上制作光器 件可以较好的和成熟的c m o s 工艺相兼容，有利于将来光电子器件的单片集成。 在硅基光电子技术领域中，光调制器作为重要的有源光电子器件，硅调制器却受 限于硅的自由载流子色散效应，其调制速度和尺寸都受到限制。电光聚合物具有 很高的线性电光系数和极高的响应速度，通过把电光聚合物填充到狭缝波导中， 可以在低折射率区( 聚合物区) 实现高强度光场聚集，这种结构被应用到调制器 中将有助于实现大带宽和低调制电压。 传统光调制器受限于普通波导结构，很难实现亚波长级的集成。随着硅基纳 米结构制造工艺的不断进步，波长量级或亚波长量级周期性结构，即光子晶体， 在控制光传输方面越来越引起广泛的关注光子晶体波导通过光子带隙对光的传 输限制，通过在光子晶体中引入线缺陷或点缺陷，可以实现光的传播或局域化 本论文结合硅基光子晶体结构，狭缝结构和电光调制，对新型的调制器提出 自己的设计和实验尝试，基于平面波展开法和三维时域有限差分法，主要在以下 四个方面做出有创新意义的理论工作： 1 提出新型基于水平狭缝平板二维光子晶体结构的调制器器件通过控制狭 缝中聚合物电光效应实现调制功能。水平狭缝平板结构用来在与光传播垂直方向 限制导模，这不同于普通光子晶体结构在垂直截面利用折射率差的导光模式光 子晶体线缺陷波导利用其慢波效应，并在水平方向限制导模 2 提出新型的基于水平狭缝周期性介质波导谐振腔的电光调制器。谐振光模 式在垂直方向通过水平狭缝结构限制，在水平方向通过光子禁带进行限制器件 通过填在狭缝中的电光聚合物实现快速高效调制功能我们提出的谐振腔结构工 作在准t m 模式分析表明采用此新结构的调制器具有极低的调制电压，超短的 长度和i o o g h z 的带宽 3 提出新型的基于垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的电光调制器。我们首次 提出了该纳米谐振腔结构，并对其光学特性进行较详细的分析狭缝贯穿谐振腔 i i i 和布拉格反射壁区域，研究表明其有较高的品质因数和极小的模式体积。调制器 工作在准t e 模式，有小的调制电压、器件尺寸和大的调制带宽 4 通过结合周期性介质波导、二维平板光子晶体结构和垂直、水平狭缝结构 的思路，系统分析了前面提出的几种新型波导和谐振腔结构特点，为今后研究方 向提出新的思路。相对于不带狭缝的周期性介质波导谐振腔，水平狭缝的加入对 原来谐振腔的影响较垂直狭缝小，品质因数因此也比加入垂直狭缝的谐振腔更 大水平狭缝周期性介质波导谐振腔较大的高宽比使其对制作工艺的要求更高， 而垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的波导尺寸和制作工艺与普通脊波导类似，利 用现有工艺就可以制作。 作者的研究工作主要集中在器件设计方面，在后续工作中希望能将所构思的 新型调制器进行充分的实验验证，并期待为将来的光电集成系统的发展做出贡 献。 关键词：硅基光子学；光子晶体；狭缝结构；谐振腔；调制器；电光效应 i v a b s t r a c t s i l i c o nh a s l o n gb e e nt h eo p t i m a lm a t e r i a l f o r m i c r o e l e c t r o n i c s b u i l d i n g p h o t o n i cd e v i c e si ns i l i c o nb e a r st h ea d v a n t a g eo fb e i n gc o m p a t i b l et oc o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e - - s e m i c o n d u c t o rf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hc a nl e a dt om o n o l i t h i c i n t e g r a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i ca n dp h o t o n i cd e v i c e so nas i n g l ec h i p e l e c t r i c a l l y d r i v e no p t i c a lm o d u l a t i o ni n s i l i c o np h o t o n i c st y p i c a l l yr e l i e so nt h ef r e e - c a r r i e r p l a s m ad i s p e r s i o n e f f e c to fs i l i c o nm a t e r i a l s t h ea c h i e v a b l em o d u l a t i o ns p e e d ， b a n d w i d t ha n ds w i t c h i n gv o l t a g ea r el i m i t e d b yc o n t r a s t ，e l e c t r i c a l o p t i c a l ( e o ) p o l y m e r so f f e rv e r yh i g hp o c k e l sc o e f f i c i e n t 、) i ，i t l le x t r e m e l yf a s tr e s p o n s es p e e d ，a n d l a r g eb a n d w i d t ha n dl o wm o d u l a t i o nv o l t a g ec a nb ee x p e c t e d c o n v e n t i o n a lp o l y m e r w a v e g u i d e sg e n e r a l l yh a v el a r g ec r o s s s e c t i o n , a n dr e s u l ti nw e a kl i g h tc o n f m e m e n t t h es l o t t dg u i d em o d eh a st h eh i g h e s ti n t e n s i t yi nt h el o w i n d e xp o l y m e rm a t e r i a l ，a n d t h i sc h a r a c t e ri sd e s i r a b l ef o rm o d u l a t i o np u r p o s e h o w e v e r , t h es i z eo fm o d u l a t o r si sl i m i t e db yc o n v e n t i o n a lw a v e g u i d es t r u c t u r e s 、舫mm i l l i m e t e ri n t e r a c t i o nl e n g t h w i t ht h ep r o g r e s so fn a n o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， t h e r eh a sb e e nag r e a ti n t e r e s ti nt h ec o n t r o l l i n gt h ep r o p a g a t i o no fl i g h ti np h o t o n i c c r y s t a l sp e r i o d i c a l l ys t r u c t u r e da tas c a l ec o m p a r a b l et o ，o rs l i g h t l ys m a l l e rt h a nt h e w a v e l e n g t h p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d ec a nc o n s t r a i nt h el i g h td u et ot h ef o r b i d d e n b a n d u t i l i z i n gt h el i n ed e f e c to rd o td e f e c ti nt h ep h o t o n i cc r y s t a l s ，w ec a nc o n t r o lt h e p r o p a g a t i o no fl i g h ti nc e r t a i nd i r e c t i o n sa n dl o c a l i z i n gl i g h ti nt h ec a v i t y c o m b i n i n g t h e p h o t o n i cc r y s t a l s ，s l o tw a v e g u i d e ，a n de om o d u l a t i o n , w e p r o p o s e t h en e wd e s i g n so fo p t i c a lm o d u l a t o r s t h i st h e s i sm a k e si n n o v a t i v e t h e o r e t i c a lw o r k sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： 1 w cp r o p o s e dan e ws i l i c o nm o d u l a t o rb a s e do nt h eh o r i z o n t a lp h o t o n i cc r y s t a l s l o t t e ds l , a b i nw h i c ht h eh o r i z o n t a ls l o t t e ds t a bi su s e dt oc o n f i n et h eb e a m v e r t i c a l l y w h i l et h e p h o t o n i cc r y s t a l l i n e - d e f e c tw a v e g u i d ei s e m p l o y e dt o c o n s t r a i nt h eb e a mh o r i z o n t a l l ya n ds l o wd o w nt h eg r o u pv e l o c i t yo ft h el i g h t n l e m o d u l a t i o ni sr e a l i z e db yc o n t r o l l i n gt h ee oe f f e c to ft h ep o l y m e rf i l l e di nt h es l o t 2 w ep r o p o s ean e wc o m p a c ts i l i c o nm o d u l a t o rb a s e do nas l o t t e dp h o t o n i cc r y s t a l v n a l l o b e a mc a v i t y , a n di t s o p t i c a lc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e d t h es l o tl i e si nb o t ht h e c a v i t ya n dt h ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r sr e g i o n t h i sr e s u l t si n a nu l 缸a s m a l l m o d a jv 0 l u l n ea n d l a r g eq u a l i t yf a c t o r t h em o d u l a t o ri so p e r a t e di nt h et r a n s v e r s e e l e c t r i c a l ( t e ) l i k em o d e t h em o d u l a t i o ni sr e a l i z e db yc o 咖1 l i l l gt h ee o e f f e c t o ft h ep o l y m e rf i l l e di nt h es l o ta n dh o l e s 3 w ec a r n eu pw i t ha n e ws i l i c o nm o d u l a t o ru t i l i z i n gh o r i z o n t a ls l o t t e d p h o t o i l i c c 巧制n a n o r i d g ec a v i t i e s t h er e s o n a n c em o d ei ss t r o n g l yc o n s 嘶n e d h o r i z o 喇l v b y 恤p h o t o n i cm i r r o r sa n dv e r t i c a l l y b yt h eh o r i z o n t a ls l o t t h em o d u l a t o ri s 叩e r a t e d1 nt h et r a n s v e r s em a g n e t i c ( t m ) l i k em o d e i ft h ee op o l 舯e r 彻e d i n t t l es l o t1 se m p l o y e dt oa c h i e v ef a s tm o d u l a t i o n , a n a l y s i ss h o w st h a t am o d u l a t o r w i t l la d a n d w i d t ho f10 0 g h z ，al o ws w i t c h v o l t a g ea n dat i n yl e n g t hc a i lb e o b t a i n e d 4 c o n s i d e r i n gt h eo n ed i m e n s i o n a lo rt w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i c c 巧s t a la n d n o n z o n t a lo rv e r t i c a ls l o t s t r u c t u r e s ，w es y n t h e t i c a l l y 锄a l y z et l l ec h a r a c t e r so f i o 册a j - p r o p o s e ds t r u c t u r e s c o m p a r e dw i t ht h e h o r i z o n t a ls l o t t e d c a v i t y , t h e v e r t i c a 】s l o n e dc a v i t ys h o w sal a r g e rq u a l i t yf a c t o r t h i s m o s t l yd u et 0t l l a tt l l e p r e s e n c eo fv e r r i c a ls l o tw o r s e n sm o r eh e a v i l yt h eo r i g i np e 响砷a i l c e0 f r e s o n 锄t c a v l t l e s h o 、v e v e r ，t h el a r g ea s p e c tr a t i oo fh o r i z o n t a ls l o t t e dw a v e g u i d e m a k e si ta c h a l l e n g ei nf a b r i c a t i o np r o c e s s ih ew o r ko ft h i s t h e s i s m o s t l yf o c u s e si nt h ed e v i c e p r o p o s a l ，d e s i g na n d s l m u l a t i o n p a n 瑚d e m o n s t r a t i o no ft h e s ed e v i c e si s s t i l l u n d e r w a y t h ep r o p o s e d m o d u l a t o ri sv e r yp r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o n si nf u t u r eo p t o e l e c t r 0 面c s y s t e m s k e yw o r d s ：s i l i c 。np h 。t o n i c s ；p h 。t o n i c c r y s t a l ；s l o t ；c a v i t y ；m o d u l a t 。r ；e l e c r o - o p t i c e f f e c t 致谢 此论文完成之际，我也即将结束近五年的直接攻读博士研究生生涯，在浙大 这个校园里学习生活了的五年，诸多感慨，片语难表。借此机会，感谢在我求学 生涯中帮助和支持过我的老师，亲人和朋友们 首先，感谢我的导师杨建义教授。刚进入实验室时，对于课题研究只有一知 半解，是杨老师耐心的解答和谆谆教导使得我在科研的道路上有了正确的方向， 在后续科研中，一直给我鼓励和帮助。杨老师正直的人品和豁达的胸怀也使我在 学习之外受益匪浅。 感谢王明华教授，王老师知识渊博，为人风趣，经常在周五例会中给我们指 导今后人生的方向，坚定我们继续进行集成光学研究的信心感谢江晓清教授， 江老师关心同学，对大家要求严格，耐心且注重细节，经常提出很有价值的想法， 持续为我们的科研注入战斗力感谢郝寅雷教授，周强教授在科研上的指导感 谢实验室的朱师傅在工艺上提供了的帮助 感谢喻平博士，虽然他来实验室不久，但在和他的讨论中使我获益良多感 谢余辉博士，王帆博士，周海峰博士，肖司淼博士，赵勇博士，郑伟伟博士在学 术上的指导，你们严谨的科研态度使我受到巨大的鞭策；感谢师弟师妹和生活中 我的朋友的关心和帮助，在我消沉的时候是你们给我力量继续前行 感谢我的父亲祁玉波和母亲王苏利这么多年来对我无私的关怀和付出，没有 你们做坚强的后盾，就没有我今天的成绩。感谢我的姑父吴晨阳和姑姑祁青对我 生活上的照顾和人生观的指导，使我受益匪浅 谨以此文献给在我攻读博士学位期间曾帮助我的老师，同学，朋友和家人 最后感谢参加论文评审和答辩的诸位专家! 祁彪 于浙江大学求是园 2 0 1 1 年春 图目录 图1 1 微环结构：( a ) 极紧凑的微环调制器s e m 图n 6 1 ( b ) 单片多微环集成们2 图1 2 狭缝结构和模场分布：( a ) 垂直狭缝波导( b ) 准t e 模晟分量的场分布饵 4 图1 3 狭缝实验：c a ) 宽5 0 n m 的垂直狭缝波导1 ( b ) 厚5 0 n m 的水平狭缝波导和水平狭缝 波导微环1 5 图1 4 光子晶体平板能带图m 1 ( a ) 正方形介质柱型( b ) 三角形空气孔型7 图1 5 光子晶体平板线缺陷波导能带图旧( a ) 正方形介质柱型( b ) 三角形空气孔型8 图1 6 周期性介质波导( a ) 典型结构( b ) 三维孔型周期性介质波导能带图旧1 8 图1 7 早期周期性介质波导谐振腔( a ) 孔和孔间距为均匀分布1 ( b ) s a u v a n 提出为增加谐 振腔品质因数要渐变孔径和孔间距1 9 图1 8 周期性介质波导谐振腔典型结构( a ) 下包层二氧化硅，上包层为空气嘲1 ( b ) 空气桥 型引( c ) 双波导谐振腔形成狭缝结构n 吲9 图1 9 典型光子晶体电光调制器( a ) 利用慢波原理的波导调制器刚( b ) 光子晶体谐振腔调 制器钔1 1 图1 1 0 周期性介质波导谐振腔电光调制器( a ) 示意图和( b ) 实物图n 2 1 2 图1 - 1 1 填充电光聚合物的垂直狭缝光子晶体调制器( a ) 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔电 光调制器 们( b ) 垂直狭缝二维平板光子晶体波导电光调制器列( c ) 垂直狭缝二维平板光子 晶体谐振腔电光调制器n 矧( d ) 垂直狭缝二维平板光子晶体波导电光调制器实验s e m 图n 删 1 3 图1 1 2 构建新型狭缝光子晶体思路图1 4 图2 1 马赫曾德尔水平狭缝平板光子晶体调制器构造示意图2 6 图2 2 水平狭缝平板光子晶体构造示意图2 7 图2 3 水平狭缝平板光子晶体横截面构造示意图，在线缺陷波导处为空气桥结构2 8 图2 4 空气桥结构聚合物狭缝光子晶体的纵向折射率分布2 9 图2 5 水平狭缝平板光子晶体奇对称模能带图2 9 图2 6 移除最邻近孔形成线缺陷( 虚线方向) 后的倒格矢映射3 0 图2 7 水平狭缝平板光子晶体平板模式3 0 图2 8 随不同半径周期比变化的带隙图3 1 图2 9 随不同半径周期比变化的带隙比3 2 i x 图2 1 0 随不同水平狭缝厚度变化的( a ) 带隙图( b ) 带隙比图3 3 图2 1 1 水平狭缝平板二维光予晶体导模的能带图3 4 图2 1 2 导模模场图：( a ) 导模1 的主电场分量历在彪平面内的截面图，导模2 的截面图如 内嵌图所示。( b ) 导模1 电场历分量沿图( a ) 所示切线的切面等值线图。3 4 图2 1 3 狭缝中聚合物不同折射率下导模的群速度曲线，横轴为导模的频率。3 5 图2 1 4 狭缝中聚合物不同折射率下导模的导模能带曲线。3 6 图2 1 5 电学r c 效应近似等效结构图3 7 图2 1 6 调制频率随不同参数改变的变化：( a ) 顶层硅厚度为2 0 0 n m 到5 0 0 n m 时调制频率的变 化。( b ) 水平狭缝厚度为5 n m 到5 0 h m 时调制频率的变化。3 8 图2 1 7 顶层硅厚度为3 4 0 h m 时随狭缝厚度改变的带隙图和带隙比3 9 图2 1 8 顶层硅厚度为3 4 0 n m 时随孔半径改变的带隙图和带隙比4 0 图2 1 9 顶层硅厚度为3 4 0 n m 时优化后的带隙图和导带图4 0 图2 2 0 项层硅厚度为3 4 0 h m 时( a ) 导模电场历分量切面分布图( b ) 导模群速度曲线分布4 1 图2 2 l 顶层硅厚度为2 2 0 n m 时随狭缝厚度改变的带隙图和带隙比4 2 图2 2 2 项层硅厚度为2 2 0 n m 时随狭缝厚度改变的各带隙中心频率4 2 图2 2 3 项层硅厚度为2 2 0 n m 时随孔半径改变的带隙图和带隙比4 3 图2 2 4 项层硅厚度为2 2 0 n m 时优化后的带隙图和导带图4 4 图2 2 5 顶层硅厚度为2 2 0 n m 时( a ) 导模电场历分量切面分布图( b ) 等值线分发图4 4 图2 2 6 狭缝中聚合物不同折射率下导模的群速度曲线4 5 图2 2 7 狭缝中聚合物不同折射率下导模的导模能带曲线。4 6 图2 2 8 调制频率随不同参数改变的变化：( a ) 顶层硅厚度为2 0 0 n m 到5 0 0 h m 时调制频率的变 化。( b ) 水平狭缝厚度为5 n m 到5 0 n m 时调制频率的变化。4 6 图3 1 水平狭缝周期性介质波导谐振腔调制器的( a ) 三维结构图和( b ) 谐振腔中心纵向截面 图。5 2 图3 2 谐振模式历分量强度随曲增加而减小5 3 图3 3 水平狭缝周期性介质波导谐振腔结构各参数5 4 图3 4 谐振波长和谐振腔品质因数随谐振腔长度不同的变化情况5 4 图3 5 谐振波长和谐振腔品质因数随水平狭缝厚度不同的变化情况5 5 图3 6 谐振模场分布：( a ) 谐振准t m 模电场分量历水平切面彪平面模场分布( b ) 纵向切 面弦平面模场分布和( c ) 谐振腔中心纵向切面矽平面模场分布。( d ) 相同尺寸下有狭缝 x 和没有狭缝的脊波导谐振模场沿y 方向的强度分布图。两种结构的光强度数值为各自最大光 强值的归一化强度。y = 0 表示水平狭缝的二分面。5 6 图3 7 谐振准t m 模电场分量历沿z 轴场强值5 6 图3 8 谐振腔品质因数随不同光子晶体布拉格反射区长度的改变5 7 图3 9 谐振波长和谐振腔品质因数随水平狭缝中聚合物折射率变化的频谱移动，该结果通过 3 d - f d t d 仿真得到5 8 图3 1 0 水平狭缝周期性介质波导谐振腔的传输频谱5 9 图3 1 l 电学r c 效应近似等效结构图6 0 图3 1 2 调制频率随( a ) 硅电阻率( 掺杂浓度) 的变化，电阻率从1 1 x 1 0 叫d a n ( 伪= 4x1 0 墉 c m 。3 ) 增大到9 2 1 0 。4 锄( 伪= 1 1 0 1 7c m 。3 ) ( b ) 硅层厚度尼t 由2 0 0 n m 变到5 0 0 n m 时调制 频率的变化。( c ) 硅平板厚度尼- 曲由1 0 r i m 变到5 0 n m 时调制频率的变化。( d ) 脊波导宽度 j ；。d i 由2 0 0 r i m 变到6 0 0 n m 时调制频率的变化。( e ) 两侧电极到脊边缘距离服曲由5 0 r i m 变到 4 0 0 n m 时调制频率的变化。6 2 图3 1 3 空气包层水平狭缝周期性介质波导谐振腔( a ) 空气桥型( b ) 上空气包层下b o x 层 6 3 图3 。1 4 当硅层厚度变化时谐振腔谐振波长和品质因数改变情况6 4 图4 1 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔调制器的( a ) 三维结构图和( b ) 谐振腔中心纵向截面 图。7 3 图4 2 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔结构各参数7 4 图4 3 垂直狭缝仅存在于谐振腔内部的周期性介质波导谐振腔( a ) 孔被垂直狭缝覆盖型 ( b ) 孔和垂直狭缝分离型【1 钔7 5 图4 4 垂直狭缝周期性介质波导渐变区各参数图示7 6 图4 5 谐振波长和谐振腔品质因数随谐振腔长度不同的变化情况7 7 图4 6 随着狭缝宽度不同，谐振腔的品质因数和谐振波长的变化。7 7 图4 7 谐振模模场分布图：( a ) 谐振准t e 模电场分量厶水平切面彪平面模场分布( b ) 谐 振腔中心纵向切面平面模场分布。( c ) 谐振模场沿j 方向的强度分布图。光强度数值为 最大光强值的归一化强度。萨0 表示垂直狭缝的二分面。7 8 图4 8 谐振准t e 模电场分量e 沿z 轴场强分布图7 9 图4 9 谐振模式辰分量场强度随肥增加而减小7 9 图4 1 0 谐振波长和品质因数随垂直狭缝中聚合物折射率变化的频谱移动8 0 图4 1 1 电学r c 效应近似等效结构图8 2 x i 图4 1 2 聚合物包层垂直狭缝周期性介质波导谐振腔调制器的( a ) 三维结构图和( b ) 谐振腔中 心纵向截面图8 3 图4 1 3 调制时的频谱移动：( a ) 谐振波长和谐振腔品质因数随水平狭缝中聚合物折射率变 化的频谱移动，该结果通过3 d f d t d 仿真得到( b ) 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的传输频 著8 4 图4 1 4 用于传感器设计的空气桥型垂直狭缝周期性介质波导谐振腔。8 7 图4 1 5 空气桥型垂直狭缝周期性介质波导谐振腔谐振波长随待测溶液折射率变化8 8 图5 1 水平狭缝周期性介质波导谐振腔结构初步实验设计方案( 硅掺杂步骤并未标出) 9 3 图5 2 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔结构实验设计方案9 4 图5 3 在i 脏c 和s m i c 两次流片中设计的光子晶体器件版图及制成的硅晶片9 6 图5 4 实验测试平台介绍：( a ) 垂直耦合原理示意图( b ) 测试台结构图9 7 图5 5 实际垂直耦合系统的外观9 7 图5 6 耦合光栅s e m 图片9 8 图5 7 制作的( a ) 二维光子晶体谐振腔( b ) 垂直狭缝二维光子晶体波导( c ) 垂直狭缝二 维光子晶体谐振腔的整体s e m 照片及部分放大图9 9 图5 8 二维光子晶体平板测试结果：( a ) 条波导s e m 图( b ) 宽带光源频谱( c ) 条波导透 过率频谱( d ) 二维光子晶体透过率频谱1 0 0 图5 9 制作的( a ) 周期性介质波导谐振腔( b ) 周期性介质波导双谐振腔( c ) 条波导与周 期性介质波导谐振腔耦合结构的s e m 照片1 0 1 图5 1 0 周期性介质波导测试结果：( a ) 透过率频谱( b ) 双谐振腔透过率频谱。其中( b ) 中测量的结果基本为噪声1 0 2 图5 1 1 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的( a ) 理论模拟图和( b ) 实际器件s e m 图1 0 3 x 表目录 表1 1 硅材料在通信波长处的调制物理效应哺3 表1 2 最近实验报道的狭缝波导狭缝宽度或厚度5 表1 3 最近实验报道的周期性介质波导谐振腔的结构参数和性能1 0 表2 1 水平狭缝二维光子晶体调制器各结构参数下的性能参数表4 7 表3 1 通过f d t d 计算得到的水平狭缝周期性介质波导谐振腔的优化后的各个参数5 7 表3 2 空气桥型水平狭缝周期性介质波导谐振腔结构参数( 光子晶体反射镜孔数为1 2 ) 6 3 表3 3 空气包层水平狭缝周期性介质波导谐振腔结构参数( 光子晶体反射镜孔数为1 2 ) 6 5 表3 4 水平狭缝周期性介质波导谐振腔结构参数( 光子晶体反射镜孔数为1 2 ) 6 5 表4 1 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的优化后的各个参数( 通过三维f d t d 方法模拟) 7 9 表4 2 聚合物包层垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的优化后的各个参数8 2 表4 3 垂直狭缝周期性介质波导谐振腔结构参数( 光子晶体反射镜孔数为1 1 ) 8 4 表4 4 最近文献中提出的调制器的性能参数8 5 表4 5 空气桥结构垂直狭缝周期性介质波导谐振腔的各参数8 6 表5 1 周期性介质波导谐振腔理论值与实测值的对比1 0 1 1 绪论 1 1 引言 电光调制器，作为光互连系统中的一个核心器件，日益引起人们的关注。硅材料作为 新世纪集成光电子学的最具潜力的平台材料之一，硅调制器却受限于硅的自由载流子色散 效应，其调制速度和尺寸都受到限制设计并研制出一种结构非常紧凑的、基于硅材料和 高电光效应材料的电光调制器，同时拥有很高的调制速度和极低的调制电压，是片上光互 连系统发展的重要内容之一 1 2 硅光子学与硅基光调制器 数据通信和数据处理对于带宽日益增大的需求推动光互连走向了历史的前台集成光 子器件因其可以在很小的空间内完成海量数据的传输和处理【，在光互连系统中将占有重 要位置尤其是在数据计算方面，随着多核处理器日益成为主流，其瓶颈已由原来缩小晶 体管尺寸，变为如何增大多核处理器之间数据交换带宽当前的互联方式是不能满足这些 系统在保持低功耗的前提下增大带宽的要求的，这就推动拥有更大带宽的光子学器件的发 展【2 】 使用硅材料作为光互连的平台为光学和电学器件的单片集成提供了可能【3 1 硅作为光 子学材料最早始于二十世纪7 0 年代【4 1 硅绝缘体( s o i ) 材料的出现后被大规模使用【5 1 ，因 其和c m o s t - 艺的兼容性，再次引起了人们对硅基光子学的兴趣直至j 1 2 0 0 4 年之前，由于 硅材料本身没有线性电光效应，报导的都是硅无源器件2 0 0 4 年，i n t e l 乖0 用马赫曾德尔干 涉仪实现了电光调制功能【6 l i p s o n 研究组利用谐振腔增强硅的自由载流子色散效应制作 了光开关，实现了硅基的电光集成【引 硅是立方对称晶体，不存在线性电光效应( p o c k e l s 效应) ，无法对光进行高速直接电 光调制c o r n e l ，i b m 和i n t e l 通过注入电子和空穴产生的注入电流，利用自由载流子等离 子色散效应进行调制但载流子浓度的变化不仅改变折射率的实部，还同时影响折射率的 虚部，带来额外损耗载流子复合过程决定了此类调制器可以达到的最高速度，而利用反 向偏压的载流子耗尽效应的调制器可以达到比载流子寿命更快的调制速度【9 1 ，现在已有高 达1 0 4 0 g b i t s 调制速率的报道1 0 , 1 1 】除此之外，s t 锄f o r d 研究组提出了利用g e 量子阱中的 s t a r k 效应的硅基电吸收调制器1 12 1 在结构上，在过去的几年中，硅基调制器的报道以微 浙江大学博士学位论文 环调制器为主。近来，微环调制器的速度已破1 8 g b i t s ，仅受限于光子寿命【1 3 】。一些关 键问题，例如在不同温度下工作的稳定性1 4 1 和调制器尺寸的小型化1 5 】也慢慢得到不同程度 的解决。图1 1 ( a ) 为一个直径2 5 r u n f 昀微环调制器【15 1 。微环调制器作为光互连网络中的 关键器件日受n s u n t l6 1 ，h p t l 7 1 和i b m 【1 8 1 等研究组的重视。片上光网络的典型结构如图1 1 ( b ) 所示【1 9 】。 ( a l( b ) 图1 1 微环结构：( a ) 极紧凑的微环调制器s e m 副1 习( b ) 单片多微环集成【1 9 1 在硅衬底上制作的锗或锗硅探测器可以探测1 3 一1 5 1 m a 波段的光信号。锗或锗硅材料 可以利用化学气相沉积法( c v d ) 生长。因为锗的晶格常数比硅大4 ，沉积时原子间的 张力容易产生缺陷，从而增加漏电流。锗不能生成稳定的氧化物，无法为锗器件生成钝化 层，也就很难实现小的暗电流。片上集成的硅基探测器必须要有很小的电容和很高的速度， 以增强探测器的灵敏度和减小接收每比特信号的功率消耗。耗能低的光探测器和光调制器 是能否实现单片集成低功耗系统的关键器件。很多研究组都报道了利用硅光子集成平台的 速度高达g h z 量级的锗探测器 2 0 - 2 3 】。最近，l u x t e r a 经证实锗相关制造工艺可以与s o l c m o s _ t - - 艺相兼容【2 4 1 。i m e l 和u c s b 研究组在8 5 0 0 c 利用c v d 技术生长锗层和硅层，制作了 3 4 0 g h z ：噌盈带宽的锗硅雪崩光电二极管【2 5 1 。l i p s o n 研究组最近也报道了电容值小到2 4 i f ：、 脉冲响应达到8 8 p s 的锗探测器，这是已报道的电容最小而且速度最快的集成锗探测器【2 6 1 。 硅基光子学当前面临的一个主要挑战是不同元件在与c m o s _ t - 艺兼容的平台上实现 集成。之前提到的高速硅电光调制器【6 ，2 7 ，2 8 1 都是制作在s o l 材料【2 9 1 的单晶硅层上的。依靠 s o l 材料平台的光路和电路集成主要有两个挑战：首先，微电子学s o l 基片的氧化物掩埋层 的厚度比用作光器件下包层材料的氧化层要薄的多其次，与大规模制作晶体管不同，在 硅层大规模集成上百个光器件将需要非常大的面积。潜在的解决方法包括在体硅材料平台 上制作集成光学器件【3 0 】，或通过三维的多层w a f e rb o n d i n g 技术。直到不久前，多晶硅材料 一 绪论 还一直被认为具有很差的光学和电学特性而不适合制作光器件，现在在淀积的多晶硅层已 成功制作了速度高达g h z 量级的电光调制器【3 1 1 。淀积材料器件设计价值的重新认识使单片 集成光电系统更具现实意义，也为光器件和光系统的设计提供了方便 硅光子学面临的另外的挑战主要是片上光源的集成以及损耗相对较高的硅波导。硅是 间接带隙半导体材料，相对于g a a s 等i v 族化合物的直接带隙材料，发光效率很低。利 用拉曼效应制作的单波长全光光源已有报道 3 2 , 3 3 】。然而，其波长范围很窄，只有l n m 左右， 且不在c 波段。最近较流行的方案是将i v 族材料和硅波导通过b o n d i n g 技术实现集成 最近也报道了全光【3 4 1 以及电泵浦f 3 5 , 3 6 混合激光器，但依然只能工作在单波长利用参变量 放大技术，最近提出一种与c m o s t - 艺兼容的硅基微环多波长光源，它可以产生相互间隔 几纳米的4 0 个波长，而工作功耗仅为5 0 m w 【3 7 1 除了发展片上集成光源技术，减小硅无源 光波导的传输损耗也是片上光互连的关键技术一个大约4 5 0 2 5 0n m j j , 截面弯曲条波导， 当弯曲半径只有几微米时，有相对较高的损耗一已报道的在1 5 5 0 n m 波段最低损耗值大约 为1 2d b c m t 3 & 4 4 1 用类似制作脊波导的选择性氧化免刻蚀工艺【4 孓4 7 1 ，免刻蚀硅波导在 15 5 0 n m 波段的传输损耗大约为o 3 d b c m t 4 引 硅材料的优点是有较高的热光系数( 一1 0 4 ) ，但用于热光调制时调制速度较幔，典型 值为k h z 量级。硅有较高的自由载流子色散效应【4 9 1 ，但载流子的变化会带来较大的损耗， 用该效应进行调制时也受到载流子寿命的限制，调制带宽较窄，典型值为1 g h z i s o 】。 硅材料被大量运用于调制器主要是随着人们对硅物理特性认识的提高，见表1 1 【5 1 1 。 因为硅不存在线性电光效应，因此其热光效应更受到人们的关注热光效应大多用于相位 调制的优势在于没有引入附加损耗，多用于器件工作点的偏置【5 2 1 因为二氧化硅层传热系 数较小，硅绝缘体( s 0 1 ) 材料热光器件调制速度一般在1 0 “s 量级【5 3 】 表1 1 硅材料在通信波长处的调制物理效应1 5 l 】 浙江大学博士学位论文 1 3 狭缝波导介绍 狭缝波导最早由l i p s o n 研究组于2 0 0 4 年提出【5 7 】并首次制作出狭缝微环删：当两个宽度 很小的硅波导靠近到纳米距离时，光场将强烈的限制在两波导之间的低折射率狭缝中。传 统波导利用折射率差的全内反射原理进行导光，波导的芯区折射率必须高于周围包层，狭 缝导光方式颠覆了这种思想。在图1 2 ( a ) 所示的垂直狭缝波导结构中，其准横电场( t e ) 模晟分量的场分布如图1 2 ( b ) 所示。相对应的，在水平狭缝波导结构中，准横磁场( t m ) 模日分量将在狭缝处得到加强。 ( a ) ， i 可 ：o j a 言 - 兽o a 山 害0 2 呈。 芒 卜 ( b ) 图1 2 狭缝结构和模场分布：( a ) 垂直狭缝波导( b ) 准t e 模晟分量的场分布1 5 最近报道的垂直狭缝波导实验的狭缝宽度为5 0 姗【5 9 】，是目前最佳的实验结果，如图 1 3 ( a ) 所示，典型值为1 0 0 n m - - 2 0 0 n m 左右 5 5 , 6 0 - 6 2 】。不同于垂直狭缝波导的制作利用刻 蚀工艺，水平狭缝波导的制作多利用材料生长来形成狭缝结构，故已报道的水平狭缝实验 厚度多在l o - - 5 0 n m 左右【6 3 6 7 1 ，如图1 3 ( b ) 所示。上述实验中狭缝大小如表1 2 所示 狭缝波导中的光强被强烈限制在狭缝处，通过往狭缝中填充功能