高速硅基电光调制器的研究_图文

1、密级:中国科学院大学 University of Chinese Academy of Sciences 博士学位论文2014年惦月1Illl I Illl Illll I Illl I I Y2615385ByXu HaoA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of Engineering in Physical ElectronicsInstitute of

2、Semiconductors,Chinese Academy of SciencesMay,2014关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人,未经著作权人授权,不得 将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则,引起有碍 著作权人著作权益之问题,将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院半导体所有关保存、使用学位论文的规定,即:中国科学院半导体所有权保留学位论文的副本,允许该论文被查阅;中国科学 院半导体所可以公布该论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定签名:绿扮翩签

3、名:铺够日期:如-啤6,同;目关于学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡 献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。签名:凉治 翩签名:匀玄绥日期沙僻6囤;国摘要摘要当今社会正处在高速信息化的时代浪潮中,以“云计算”、“物联网”和“大数据” 为代表的新型信息化技术的出现,使人们对于高速率,低成本,低功耗的数据处理与 传输技术有着更为迫切的需求和期待。正是在这样-fo社会需求的强力推动下,硅基 光子学应运而生,

4、希望借助成熟的微电子制造工艺,以光作为信息的载体,实现在硅 基芯片上,或者芯片与芯片之间数据的高速处理和传输。高速硅基电光调制器承担着将电信号转换为光信号的职能,其调制速率直接影响 着光传输系统的信息处理能力。本论文对高速硅基电光调制器进行了深入的理论分析 和全面的实验验证,全文围绕着高速硅基电光调制器的工作原理、电路模型和频率响 应特性,结合微波电路理论、光波导理论、信号完整性分析理论、半导体物理及制作 工艺四个方面的内容,给出了器件准确和高效的设计分析方法。并且,结合光电子器 件的片上测量技术,全面的测试了高速硅基电光调制器的静态、动态、大信号和小信 号特性,不仅充分证明了所提出设计分析方

5、法的有效性,也验证了所制作出高速硅基 电光调制器的优良性能。本论文首次制作并实现了基于交指型PN结的MZI型硅基电光调制器,在采用较 低PN结掺杂浓度(21017cm。3的情况下,实现了高的调制效率。将器件特征参数FOM (V。k和掺杂引入单位长度光学损耗的乘积降低到1520dBV,实现了硅基电光调 制器调制效率和光学损耗的平衡,并首次在国内实现了超过40Gbit/s的高速硅基电 光调制。同时,建立起了一种载流子耗尽型硅基MZI调制器的分布式电路模型,定 量的给出了器件结构尺寸、材料特性和器件传输线参数之问的关系。并且首次通过芯 片片上测量技术,准确测试了硅基电光调制的传输线参数,验证了电路模

6、型的有效性。 以此为基础,本论文提出并验证了一种新的计算载流子耗尽型硅基MZI调制器频率 响应特性的方法,首次将PN结结电容和接触电阻的RC效应纳入到计算方法中,并 结合信号完整性分析的一般方法,实现了对高速调制输出光信号的仿真,达到了根据 器件最基本结构参数预测调制器高速调制性能的目的。最后,本论文提出了高速硅基 电光调制器带宽均衡的设计原则和实现方法,深入分析了硅基电光调制器输入阻抗和 器件高速特性之间的关系,详细仿真了不同结构参数对器件性能带来的影响,成功解 I摘要决了硅基电光调制器中低偏置电压和高调制带宽之间的矛盾,设计并制作出了低偏置 电压下高带宽的硅基电光调制器。在一3V的偏置电压

7、下,器件的3一dB带宽达到了55 GHz,并首次实现了70Gbit/s的硅基电光调制,是目前世界上有报道速度最快的硅 基电光调制器,其所需偏置电压仪为.1.5V。关键词:光互连,硅基光子学,绝缘体上的硅,马赫曾德干涉仪,硅基电光调制器, 分布式电路模型,COMS工艺,片上测量技术英文摘要AbstractWith theemerging of novel information technology like“Cloud computing”,“Internet of Things”andBig data”,the information revolution is changing our w

8、ord.To keep pace with the demands for the highspeed,lowcost and lowpower data processing and interconnects,the silicon photonics have been proposed and exhibited dramatic performance improvements in recent years.By employing CMOS silicon manufacturing techniques,the silicon photonics aim to create a

9、 lowcost and highly integrated optical interconnects system operating at an ultrahi曲speed.Silicon electrooptic modulator is a critical component for encoding light by either intensity or phase modulation.Highspeed electrooptic modulation helps to improving the channel capability of the integrated op

10、tical system,In this dissertation,we introduce our research on hi曲-speed silicon electrooptic modulator with both theoretical analyses and experimental demonstration.The dissertation concentrates on the silicon modulatorS operating theory,circuit model and frequency response,and proposed an accurate

11、and effective design processes,which refers to these theories of microwave,optical waveguide, signal integrity and semiconductor manufacturing techniques.Using on-wafer testing methods,the proposed devices are measured comprehensively,which not only verify the proposed analysis method,but also demon

12、strated excellent performances of the devices. In this dissertation,we first proposed a highspeed silicon modulator based on interleaved PN junction.High modulation efficiency was achieved with a relatively low doping concentration(21017cm。3.The figure.of-merit(FOMLossEfficiency of the device was re

13、duced to 15-20dBV An equivalent circuit model based on the deviceS structure dimensions and material parameters is proposed to characterize the hi:gh speed performance of the silicon depletionmode modulator,and it is verified by onwafer deembedding techniques.A novel method to calculate the frequenc

14、y response was proposed for the silicon modulator,which takes the RC effect of the PN junction in account for the first time,It can be utilized to simulate the modulated optical signal lll英文摘要combining with a spectrum analysismethod.With a band equalization design,a broadband silicon depletionmode M

15、ZM is demonstrated and characterized.The relationship between theinput impedance andhighspeed performances of the silicon modulator was simulated andanalysized.To achieve broad bandwidth with a low bias voltage,a steady escalation of the input impedance was designed for fiat E/O modulation responses

16、 of the MZM over a broadfrequency range.The 3一dB E/O bandwidth of theproposed siliconMZM isas high as 55GHzat3V bias.An open eye diagram at 70Gbit/s has been recorded with a low bias voltage of only-1.5V which is the fastest silicon electrooptic modulation demonstrated by nowKey words:Optical interc

17、onnectes,Silicon photonics,SilicononInsulator(SOI, Mach-Zehnder interferometer(MZI,Silicon electrooptic modulatorDistributed circuit model,COMS manufacturing techniques,Onwafer testingIV目录目录摘要.I Abstract.III 目录.V 第一章绪论.一1一 1.1引言.1. 1.2硅基光子学一7一 1.3硅基光子学的发展现状一8一 1.4本论文的内容安排.一16一 参考文献.17一 第二章高速光电子器件带宽分

18、析的理论基础一20一 2.1引言.20一 2.2高速光电子器件的带宽特性.一20一 2.3高速光电子器件的分析基础.21. 2.4高速光电子器件的电路模型化分析.25. 2.4.1传输线方程.26一 2.4.2网络矩阵化分析方法.30一 2.5共面波导传输线.一35一 2.6小结.一37一 参考文献.37一 第三章高速硅基电光调制器的工作原理和优化设计一38. 3.1引言一38一 3.2硅基电光调制器的工作原理.一38一 3.3硅基电光调制器的光学结构.一43一 3.3.1基于微环结构的光学传输矩阵分析.一43. 3.2.2基于马赫一曾德干涉仪的光学传输矩阵分析一45一3.4硅基电光调制器的电

19、学结构.一48一 V录3.4。1交指型PN结在硅基电光调制器中的应用一49 3.4.2基于交指型PN结的硅基微环调制器一53. 3.4.3基于交指型PN结的硅基MZI调制器.54. 3.5小结.一62. 参考文献.62. 第四章高速硅基电光调制器的模型化设计和分析方法一64一 4.1引言.64. 4.2高速硅基电光调制器的电路模型.65. 4.2.1载流子耗尽型硅基MZI调制器电路模型的建立.一67. 4.2.2载流子耗尽型硅基MZI调制器电路模型的验证.73. 43硅基电光调制器频率响应特性的计算方法与验证。一77. 4.4基于硅基调制器频响特性的信号完整性仿真.82. 4.5硅基电光调制器

20、驱动信号谐振现象的分析和抑制.一84一 4.6小结.88. 参考文献.88一 第五章70Gbit/s高速硅基电光调制器的设计与实现一91一 5.1引言.91一 5.2高速硅基电光调制器的设计.,91. 5.2.1调制器的输入电压.一92一 5.2.2频带均衡设计.94一 5.2.3高速硅基电光调制器的结构及仿真.一97一 5.3高速电光调制器的测试与分析.102. 5.3.1静态测试.102一 5.3.2动态测试.105一 5.4小结.112一 参考文献一112一 第六章结论.114. 攻读博士学位期间发表的论文VIII Vl目录攻读博士学位期间获得的奖励X 致谢.xIVIl第一章绪论第一章绪

21、论自古以来,人类就学会TN用光作为载体进行信息传递。“登高望烽火,谁谓塞 尘飞”,唐代诗人韩愈在其烽火一诗中就展现了古人用千里之外的烽火狼烟传递 战争信息的画面。这种借助“光”的通讯手段极大地提高了信息传递的速度,节省了 获取信息所需付出的时间成本和劳动成本。从物理本质上来看,选择以光波作为载体 进行信息的传递具有以下几个优势1】:1.传输信息的速度快。光子不具有静质量,既可以在真空中传播,也可以在介质中传播,并且无论是在 光介质中还是在真空中,光信号都以该介质中的光速传播,与接收信号的元件数量无 关,传输信息的速度快。2.光传输频率高。光波作为电磁波中的一个波段,主要是指红外,可见光和紫外三

22、个波段,可以在 非导电介质中利用电场和磁场的相互交换来实现传播。如图11所示,其频率高达太 赫兹以上。相比于电学的射频微波信号,光波具有波长短频率高的特点。因而,在用 光的强度调制作为信号传输时,信号频率理论上可以达到太赫兹。并且,由于光波频 率远大于它所携带的信号频率,信号频率的变化不会对光传输本身产生影响,所以在 光学传输通道的设计上,对于诸如阻抗匹配、信号畸变等问题,无需考虑信号频率变 化带来的影响。3.光学固有的并行性。光子不像电子那样带有电荷,电子之间通过电磁场相互作用,导致电信号很容易 相互干扰以及受到外部的影响,特别是当频率较高时,这种影响变得尤为明显。光子 之间很难相互作用,这

23、种固有的并行性可以极大地提高信息通道的密度和系统的规模。 4.光传输的多维多重复用性。光波作为载体,可进行多维多重复用,例如波长复用,偏振复用,相位复用,频镕浩商畦摹电光月制器的研究率复用。这些复用方式.可以有效地解决信息传输通道数量的物理限制,实现单通道 的多维多重复用,达到单路通道“多路等效”的目的,提高通道的利用效率。凄段无瘦电泣 征武 虹外残 可见光 紫外践 x射践 却马射鳆波长tg.1loa 1一 Io55xlolo 8io-10t口”时。Q/、/、/、八/川JlL缸秣螽孙强 建筑 人_垫 蜜蜂 走头针原生动抽 分子 诘 9原子 康干括稳,。产。.:.。去崎! Hl 11b姚t戊的.

24、卅当今世界,自1966年华裔科学家高琨和Hockham提出光导纤维的概念口I,预言 介质波导将降低光传输损耗,可以用来实现远距离光通信以后,历经半个多世纪的发 展,以光纤通信为代表的光通讯方式已经成为现代通信系统的支柱,深刻的改变了人 类社会的发展历史,缩短了人与人之间的距离。光纤通信,即以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的通信方式,相比于传统的电缆通信技术,主要具有以下特点i”: l通信容量大,单路光纤的潜在带宽高达20THz:2传输距离远,在155岬光波氏附近,石英光纤损耗可低于O 2dB/km,中继距 离达80km;3信号串扰小,多路光信号可交叉无干扰传输,日小易受外界电磁干扰;4

25、复用能力强,波分复用、时分复用等技术已得成熟的应用。5光缆轻便,抗腐蚀。原材料便宜,性价比高,节约有色金属资源。目前,光纤通信在长距离互连技术中占绝对主导地位,并正逐步应用于局域嗍。 从跨越洲际的海底光缆,到“光纤到户”目标的提出,光纤通信技术越来越广泛的造 福于人类的生活。如图I-2所示,一个光纤通信系统主要包括了以下几个部分吐 l 光发信机:光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器 .2.第章绪论组成。其功能是将用电信号对光源发出的光波进行调制,再将调制后的光信号耦合到 光纤中进行传输。2.光收信机:光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组 成。其功能是

26、将光纤或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信号。然后,再将 这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平,送到接收端。3.光纤或光缆:光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调 光信号,经过光纤或光缆的远距离传输后,耦合到收信端的光检测器上去,完成传送 信息任务。4.光中继器:中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个: 个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的光脉冲进行整 形。5.光纤连接器、耦合器等无源器件:由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和 光缆施工条件的限制。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是,光 纤间的连接、光纤与光端机

27、的连接及耦合,对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用 是必不可少的。光缆 光中继器 光缆20世纪60年代以来,以集成电路为代表的半导体产业的兴起是人类社会发展历 史中另一件具有划时代意义的标志性事件。集成电路(Integrated Circuit,IC是指把 一个电路中所需的独立元器件及布线互连在一起,制作在同一块基片上,封装完成具 有所需电路功能的微型结构。因为所有的元件都被集成到个芯片上,自从集成电路 问世以来,它就发展成为提高电路性能,降低电路成本的有效方法。集成电路一直向 -3-馀聃高述纂电兜*制的究着更高集成度和更高性能的方向不断发展。1947年,世界上第一个晶体管在贝尔实 验室问世。

28、1958年出现了第一块集成电路,在锗材料上集成了数个元器件,形成了 具有特定功能的芯片;1971年,英特尔推出了以一款商用微处理器4004,集成了2300个晶体管。2012年,英特尔推出的第三代酷睿i7四核芯片集成有14.8亿个晶体管. 其面积仅有160mm2。(a1958年,世界上第一块集成电路一 (b 1971年,世界上第 一块商用微处理 器;英特尔4004图1-3集成电路的发展 (c 2012年,采用 22nm cMos￥0造技 术的集成电路集成电路的发展是以CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor工艺为 基础的.并且一直遵循若著名的摩尔定钥,(

29、4I:“集成电路芯片上的晶体管数量每十八 个月增加一倍,性能I!王将提升一倍”。随着CMOS工艺特征尺寸的小断缩小,集成电 路已经从最初的小规模集成电路(SSI开始,先后经历了中规模(MSI、大规模(LSI、 超大规模(VLSI、巨大规模(ULSI,发展到目前的特大规模集成电路(GSI和系 统:卷片(SOC。目前,世界上最先进的CMOS工艺的特征尺寸是22纳米,国际半 导体技术路线图(ITRS 2013预测吼到2017年,CMOS工艺的的特征尺寸将减小 到10nm以下。表I-I英特尔研发CMOS工艺的特征尺寸时间2晋铲J 2叩掌|2叩掌2008年l 2012年l 预计 12月 32nm 5月

30、2014年底 22nm 14hill 特征尺寸l 90Ilia l 65nm 45nm然而,芯片集成度的提高需要解决功耗和成本问题.仅仅提高单核芯片的速度和 .4.第章绪论集成度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善。同时.由于受到诸如量子效应, 光刻技术的影响,CMOS工艺的特征尺寸不可能无限减小,:占片集成度的提高也将遭 遇瓶颈,集成电路性能的提升将会受到严重制约。面对这一状况,英特尔率先推出了 多核处理器,利用多个核心的并行工作来提升集成电路的性能,并被证明是一种有效 手段。随着集成电路由单核单线程向着多核多线程的演变,核与核之间的互连性能及 效率将成为决定集成电路性能的一个重要因素。日

31、前芯片巾仍然采用基于铜导线,多 晶硅的互连技术,由于电互连在传输延迟、传输带宽和传输功耗等方面的限制,成为 制约集成电路发展的瓶颈n光互连在远距离通信中所表现出的优势也吸引了微电了领域研究人员的沣意。美 国斯坦福大学Goodman教授于1984年首先提出了在超大规模集成电路巾使用光互连 的设想【”,利用光波以及光学材科特性来实现数据和信号的传输与交换。干H比于电互 连,光互连在传输延时、带宽和功耗上具有显著优势18一I:l互连延时:电互连中,金属导线的RC常数不会随尺寸等比例缩小,通常解决 KC延时的办法是增加中继器的数量,使延时时间同传输距离成近似线性关系,当前 金属互连线的时间延时已经超过

32、晶体管的门延时。而在光互连中,由于光信号的传输 延时主要取决光电转换器件的响应速度。渗圭;疹眵兰l西14on chIo一三nI嚣一、=一1回_L(b图l一4光互连和电互连的结构示意图2互连带宽:芯片中电互连的传输带宽满足如武1.1所示关系,其物理极限主 要取决于电信号问的串扰。m#商矬R电m月制的研究B坑鲁(biffs(1-1 其中一为互连线的截面积,己为互连线长,岛为特征常数.为了确保传输线在存 在20dB的损耗下仍可识别,B。通常取10”bit/s。通过优化互连布局在一定程度上 可以提升互连带宽.但是随着传输距离的增加,电互连带宽会显著降低。而光互连巾, 不仅多路光信号可以彼此无串扰的独立

33、传播,复用能力多样。在互连带宽这一特性上, 光互连有明显优势。3互连功耗:式(12和(1-3中丘和昂分别代表电互连和光互连中的功耗水平:丘c咋 (1-2 丘ql堕0-3 P其r1.咋是所传输电信号的幅值,o和。分别表示互连金属连线和光互连线巾 的等效电容,柏,是一个光了能量,e为单位电荷量。在电互连巾,导线的电容可以 被估算为2pfJcm,由式1.2可知,电互连功耗会随着传输距离的增加而增加,只能 通过降低信号电压的方式降低功耗。光互连系统中,其等效电容主要由探测器、调制 器等器件的寄生电容有关,和互连距离没有关系。Continentto continellt Racklo rack Chip

34、to chip Oil chip10.000km 100m l m l mm互连距离图1-5从洲际海底光缆到片上光互连正是由于具备以上优势,光互连技术已经应用于大规模计算机之间的数据传输。 在我国自主研发的天河一号超级计算机中,其中用于光互连的光纤线缆总长度超过了 -6-第一章绪论200公里。随着近年来光电子集成技术的不断发展,用于计算机内部电路板之间、芯 片之间乃至芯片内部的光互连模型和概念产品相继问世,如图15所示,光互连的应 用领域已近从远距离光纤通信不断的向着短距离数据传输的方向延伸,成为一个大的 发展趋势。随着人们对半导体物理特性研究的不断加深,以及半导体加工技术的迅猛发展, 半导体

35、材料的应用领域不只局限于集成电路,它的光电特性不断的被发掘出来。1962年7月,科学家T.M.Quist和R.J.Keyes首次报告了砷化镓材料的光发射现象。以 此为基础,科学家R.N.Hall在当年成功的研制出世界上首个半导体激光器,揭开了 半导体光电子学的序幕。随后,半导体激光器,发光二极管,探测器,太阳能电池等 领域都取得了长远的发展,不仅为光纤通信的发展提供了器件基础,也是照明、显示、 新能源等领域实现高性能、低功耗的发展方向,极大的影响和改善了人类的生活。 基于硅材料的CMOS制造工艺是集成电路能够飞速发展最主要原因。在极大的 提高了集成电路性能和可靠性的同时,也降低了集成电路的生产

36、成本。能否借助成熟 的CMOS工艺,在同一平台内实现半导体光电子器件的集成,实现高性能、高可靠 性和低成本的光互连?为实现这一目标,硅基光子学应运而生。硅基光子学,是研究 各类硅基材料的制备、结构特征、光发射、光传输、光调制与光接收等内容,并以此 为物理基础设计和研制各种硅基光子器件,从而最终实现硅基光电子集成的学科。硅 材料作为光互连的平台主要具备以下几个优势16j:1.易于实现光波导结构。单晶硅的折射率为3.47,其氧化物二氧化硅的折射率 为1.44,两者之间的高折射率差使得硅基光波导能够提供良好的光学限制能力,单模 波导的截面积可以降低到0.1i.tm2,弯曲半径仅为几个微米。为大规模的

37、光路集成提 供了可能。2.兼容光通信波段。硅材料的禁带宽度为1.12eV,在1310nin和1550nin两 个光纤通信波段,硅材料对光的吸收损耗几乎可以忽略。因此,具备有兼容光纤通信 系统中各种光器件的能力,如光源、光放大器、探测器等。像浩高近硅苹mm月制镕的究3同现有的CMOS工艺兼容。可以充分利用现有成熟的微电子制作工艺,在提 高精度,可靠降和降低制作成本的同时,还易与同微电予器件实现单片集成,为最终 实现大规模光电混合集成提供了可能。如图l-6所示,硅基光子学是半导体光电子学和微电子学的结合.是光通讯技术 从远距离光纤通信向近距离光传输的扩展。图1-6硅光子学和半导体光电于学、微电子学

38、及光通讯技术的戈系图12和图l-7分给出了光纤通信系统简单结构和单纤单向波分复用传输系统 (WDM的构架。可以看出,一个光传输系统主要由光发射、光调制、光传输和光 接收这四个模块构成.以实现光信号的产生、处理、传输和探测的功能。将光纤通信 技术应用于短距离光传输时,硅基光互连系统同样主要由激光器、调制器、光波导、 探测器、复用,解复用器等构成。第章绪论驱动信号巍光器 调黼器 挥测器近年来.越来越多的研究机构和企业进入到硅基光予学这个领域,在硅基光源, 硅基波导器件.以及硅基集成等方面都取得了显著的成果。特别是硅基有源光缆产品 的出现,证明硅基光子学的实用化进程正在稳步快速向前,也代表了当今硅基

39、光子学 研究的最高水平,下面将介绍硅基光子学在这几个方面取得的晟新进展。1硅基光源光源是实现硅基光电了集成的重要组成部分,然而,山于硅材料能带带隙的间接 特性以及晶格中心的反演对称特性.无法实现高效的硅基发光器件。虽然如此,研究 人员依然通过各种方法来实现硅基发光,并取得了长远的进步。具有代表性的主要有:利用Raman效应的硅基Raman激光器,通过应力调整能带结构的Ge/Si量子阱激 光器,在室温下实现了光采浦和电泵浦发光:I,以及通过键合工艺实现的硅基IIIv 族激光器l”。目前,性能摄为稳定的是硅基键台IfI.V族激光器。这种制作工艺巧 妙的避开了材料本身的物理限制,易于实现大批量生产和

40、同其他硅基光电子器件集成 匿了丑羽已二鞲 苫;_;_一 圉璺卜盥J I-8硅基键台111.V族激光器:(吣采川BCB键台.(bYdH Si02键O徐浩高速硅基电光调制器的研究如图1.8所示,分别为比利时根特大学采用BCB为中间层,以及美国加州大学 圣巴巴拉分校采用Si02作为中间层键合制作而成的硅基激光器。后一种方式,已被 英特尔公司成功的应用到硅基光电子芯片上。首先,在硅片或SOl片上热氧化生成 Si02,然后在IIIV族半导体材料上用低温PECVD(260。C方法沉积一层Si02,将两 层Si02进行低温键合,键合层的厚度最小只有50ilrll。这种方法制作的硅基激光器输 出功率高,波长可

41、以根据材料来选择,能在室温下连续工作,兼有III.V族激光器的 所有优点。硅基波导器件是硅基光子学研究的一个重点领域,由于硅材料上能够形成具备良 好光学限制能力的波导结构,借助于成熟的CMOS工艺制作技术,研究人员在硅基 平台上制作出独具特色的硅基波导器件。功能丰富,性能优良的硅基波导器件,是最 能体现硅基光子学特色和优势一个研究领域。同光纤通信结构类似,硅基光_了学的基本构架也主要包括光的发射,传输,调制, 探测这四个方向。但是,为了充分发挥光作为信息载体的优势,需要有具备不同功能 的光学器件对光信号进行处理,实现诸如光的耦合,分束,交叉,谐振,隔离,偏正 转换等特定目标。同时,借助硅材料的

42、各种光学特性(诸如热光效应,等离子体色散 效应,并将独立的光学器件组合起了,可以实现功能更为复杂多样的光学阵列和模 块,例如光学路由,光开关阵列,多路光学复用和调制等等,是最终实现硅基光电子 集成的基础。由于,硅基波导器件的研究进展十分迅速,下面将介绍本课题组在近年来所取得 的一些研究成果,可以分为无源和有源光波导器件两个大类:(1.无源光波导器件主 要包括光栅耦合器、绝热分束器、交叉波导和多路光分柬器。(2有源硅基光波导器 件主要包括光路由器、光开关单元及阵列、可重构解复用器和多路微环光调制器 (a光栅耦合器115】。由于光纤和硅基光波导之间的模场和模式失配,硅波导与光纤之间存在着光信号 的

43、交换和耦合问题。如何将光高效的耦合进/出芯片是研究的一个难题。与其他的耦 合方式相比,光栅耦合器由于对准容差大、制作工艺简单、无需划片抛光、易于封装,第章绪论能够在晶圆上实时检测的优点,具有突出的应用前景。如型卜9(a所示,课题组张灿 等人采用了非均匀结构光栅来破坏光栅耦台器水平方向的对称性.并且利用相干增强 和相干相消的方法来削弱光栅耦合器垂直方向上的对称性。一方面大幅度减小了光栅 的反射,另一方面使得出射光场的空间分布更接近于光纤中光场的分布一高斯分布。 通过设计优化光栅的周期、刻蚀深度和占空比等参数.摸索工艺制作条件,通过仅仅 一次刻蚀,制作得到了耦合效率超过7850/,的光栅耦合器,光

44、学3dB带宽约为50nm。 绝热分束器【】q。光的等比例分束是诸多光学器件实现其功能的基础,传统的光分束器有定向耦台 器,多模干涉耦合仪等存在着具有波长选择性,工艺容差小等问题。如图l一9(”所示, 课题组邢界江等人采用绝热耦合的方式,在波导中让光场同步实现耦合和折射率的渐 变,实现了均匀,低插损且波眭不明感的等比例光分束。在1500nm1600iim广阔 的波长范围内,分束光强之间的差异小于0.2dB,器件引入的光学差损仪为O 3dB。 雨广图1-9光源硅基光波导器件:(a非均匀光栅祸合器,(时绝热分束器.(c交义波导-(d倒锥型多 路光分束器(c交叉波导。交叉波导是制作大规模光学阵列的基础

45、元件,可以有效的减小波导长度,;晕低波馀沽高硅革自m月制%的研究导损耗,减小器件尺寸和简化阵列结构,充分发挥了光作为信息载体具备有可并行性 的特点。如图1-9(c所示.课题组李显尧等人分析了多模波导巾不同模式问功率比对 交叉波导损耗及串扰特性的影响,通过合理选择和设计多模干涉仪及渐变波导的尺q 在仅采用一次刻蚀的工艺条件下.实现了高性能的波导交叉结构。在15201580nm 宽波长范围内,单个交叉波导的传输损耗仅有01dB,两个波导之间的串扰小于.40 dB,器件综合性能达到国际领先水平。(d例锥型多路光分束器。多路光分束器可被广泛应用于大规模光学相控阵列,光开关阵列等器件中.是实 现大规模光

46、学集成不可或缺的元器件。如图l一9(d所示,课题组李显尧等人提出并制 作了一种新型的基于倒锥型波导的lx4光分束器.该多路光分束器大小仅有约75岫2实测差损小于0.4clB.明路分束光之间的不均匀性小于068dB。除此之外.我们课题组还广泛研究了基于级鞋微环结构的光学滤波器,模式复 用器和解复用器ZOl o这一系列功能多样,性能优良的硅基无源光波导器件的成功研制, 为我们进一步研究有源硅基波导器件,以及大规模光学阵列提供了必要的基础。如图 1一10(a(d所示,为我们课题组研制出的一系列高性能的有源硅基光波导器件,包 括光路由器、光开关单元及阵列122l、可重构解复用器123】和多路微环光调制

47、器l”蝽。I雨ll营营l 赫孺铽 锵I群一黼淞圈lIO有潭硅基光波导器什:(a光路由器,(b光开荚单元及阵列,(c可重拘解复川器,(d多 路微环光调制器,12章绪论3硅基光电子集成英特尔于2009年提出了Light peak计划,旨在开发用于芯片间数据高速传输的 光互连技术。在同年的英特尔技术峰会上,发布了第一款传输速率高达10Gb/s的光 互连芯片,并展示了应用于PC机上的样品,传输一部数据容量为40GB的蓝光电影 仅需要不到一分钟。相比于新一代最高传输率为5Gbps的电学USB 3.0技术,其优 势和潜力不言而喻。不久之后,如图1.1l(a所示,英特尔于2010年7月发布了传 输速率高达5

48、0Gbps,误码率小于10。2的四通道光A连,E,Ct2”。蜘图1-8(b所示,其 中激光光源使用了四个由加州大学圣巴巴拉分校大学开发.波长在1.3gm附近的硅 基键合InP激光器。采用调制速率为125Gbit/s的载流了耗尽型硅基电光调制器和高 速锗硅探浏器。驱动电路和光学器件分离制作,利用倒装焊方式的实现两者的集成。 这种构架的应用,为芯片性能的提供了多种扩展途径,既可以通过单个器件性能提高, 也可以采用多通道扩展的方式实现互连整体性能的提升。2013年9月,英特尔联合康宁公司共同发布了将新一代的硅光予技术产品: MXC线缆,如图卜11所示,MXC单根线缆由双向64路有源光缆组成,单根光

49、缆可实现25Gbit/s的高速数据传输,也就是就是说,MXC单根线缆单向可提供 800Gbps,双向最高1.6Tops的带宽。不仅如此,相比铜缆的最高传输距离只能达到 100米,MXC最高可达300米。硅基光互连技术表现出的优异性能和发展潜力.也 得到了包括索尼、苹果公刮在内的众多数码产品制造商的支持,硅基光互连技术已经 由实验验证正逐步走向实用。图1-11(aIntel 50Gbit/s有源光缆。(bIntel和Coming共同推出的MXC线缆。 -i 3-棣浩岛建硅荜电光月制的研究在2007年美国Luxtera公司报道了他们的单片集成传输速率410Gbps,误码率 小于10。2的光互连模块

50、圳。如图1.12所示。整个芯片,除光源是通过光纤外接外, 光波导、光调制器、光复用,解复用器和Ge探测器全部集成在同一个SOl片上,并通 过013um的COMS工艺制作而成。2012年6月,Luxtera又宣布研制出和CMOS工 艺完全兼容,调制速率高达30Obit/s的电光调制器。下一步目标是实现四通道,传 输速率超过100Gbiffs的光电传输模块。硅基光子学已经不再局限于实验室的研究, 在同成熟的半导体制造、测试和封装技术的快速融合中,各方面性能不断提高,工艺 成本逐步降低,正稳步走向实用化。圈I-12有源硅些光波导器件:Luxtera光互连模块与此同时,如图l-13所示,IBM公刊也提

51、出了实现基于光互连的硅基电光处理 器芯片SNIPER(Silicon Nanoscale-Integrated Photonics and Electronic transceiver 1计划 1271,目标在2018实现运算速率10万亿次,秒(10Tflops电光处理器芯片,它不仅 包含有约300个运算单元的处理器层和容量约30GB的电学存储层,最重要是包含有 传输速率超过70Tbps光嘲络层,小儿是要实现高带宽的光学互连,还能实现光信弓 的快速路由。如图1-13(b所示.在东京举行的Semicon 2010大会上,IBM第一次展 示了利用CMOS工艺制作的实现和传统Ic电路集成在一起的光互

52、连芯片。第章绍论ral m、闭l13(aIBM公刮构想的电光处理嚣。(b制作fH的集成光互连芯片电信设备制造商阿尔卡特-朗讯公司也投入到硅基光互连的研发当中,只是其思 路是将硅光予技术庄用到远距离光纤通信叶1,降低传统光通信模块的面积、功耗以及 制造成本。如图1.14所示,在2012年的欧洲光通信会议上12sl,发布了112GbiVs的 QPSK硅基光调制模块。该模块集成了高速硅基电光调制器.偏正分柬,台柬器,以及 电学驱动芯片,模块光学差损只有约10dB。图l14阿尔卡特明讯I 12GbiVs的QPSK硅基光调击4模块绦持高迷摹电光月制%的兜求的强力推动下,向着实用化的方向快速发展,接受时代

53、的考验网 . 紫.曩遣矽;1湖黔!热瓣;暴茹。瓣撩蒸篓。立锗晶体管. 激光器。 激光嚣. 白臼提m。 的概客. 搬址m鞋。 联苍片。图115从烽火台到硅基光互连本论文的工作集中在高速硅基电光调制器的研究。以高速光电子器件的带宽特性 为切入点,结合微波电路理论、光波导理论、信号完整性分析理论、半导体物理及制 造技术四个方面的内容.对高速硅基电光调制器进行了全面、深入的理论分析和试验 验证,并取得了一系列具有原创性的研究成果。各章的主要内容安排如下:第一章:概述了硅基光子学的发展背景,综述了硅基光互连研究和应用领域的发 展现状,着重介绍了本课题组在硅基光波导器件方向上取得的部分研究成果,以及世 界

54、范围内,硅基光电予集成领域的发展动态,为全文提供了技术背景说明。第二.章:总结概述了分析高速光电子器件带宽特性所需基础理论。从信号在时域 和频域内的关系出发,总结了带宽分析的基本流程,重点介绍了高速光电子器件电路 模型化的分析方法,并详细推导了本文会涉及到的相关重要结论。本章内容是根据研 究过程中的实际经验总结而成,为全文提供了必要的理论知识基础。第三章:介绍了应用于高速硅基电光调制器的物理机制和光学结构,并详细分析 了等离子体色散效应的原理和实现方法。重点分析了交指型PN结作为调制结构的特 性,以及以此为基础设计制作的高速微环调制器和MZI调制器。推导了MZI结构输 出光谱同波导特性之问的关系,并通过和实测数据对比验证了该方法的有效性。以此第一章绪论为基础,利用对称MZI结构成功研制出对调制波长不敏感的高速硅基电光调制器。 第四章:首先建立起了载流子耗尽型硅基MZI调