發(fā)布時(shí)間：2018-08-04 17:28

【摘要】：硅基平臺不僅在傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子領(lǐng)域中有廣泛運(yùn)用,在微納光子系統(tǒng)中也被廣泛采用。硅基平臺成為了實(shí)現(xiàn)微納光電子集成芯片的理想平臺。光電子集成芯片中的光通信模塊,能提高芯片間的通信速度,降低通信功耗。硅基光通信模塊也給傳統(tǒng)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制作帶來新的挑戰(zhàn)。因此,硅基光通信模塊有著巨大的研究和實(shí)用價(jià)值。光調(diào)制器做為光通信模塊中不可缺少的一環(huán),一直是該領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。其中低驅(qū)動(dòng)電壓的光調(diào)制器由于其驅(qū)動(dòng)電路簡單,能耗低,在光電子集成芯片中受到越來越多的關(guān)注。本論文的研究包含了硅基平臺上實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓光調(diào)制器的兩種新型方案。第一個(gè)創(chuàng)新方案,采用混合集成技術(shù),將直接帶隙的Ⅲ-Ⅴ多量子阱材料直接鍵合到硅基光波導(dǎo)上面,利用Ⅲ-Ⅴ多量子阱材料的能帶填充效應(yīng)實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓的電吸收光調(diào)制器。在這種硅基混合平臺上,本文創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了三段錐形耦合結(jié)構(gòu),從而抑制Ⅲ-Ⅴ波導(dǎo)中高階模的激發(fā),縮短了純硅波導(dǎo)和混合集成Ⅲ-Ⅴ波導(dǎo)之間的耦合長度。該耦合結(jié)構(gòu)長度只有8μm,就能實(shí)現(xiàn)95%以上能量的耦合。憑借這種設(shè)計(jì)思路,本文制作和測試了硅基混合集成的Ⅲ-Ⅴ電吸收光調(diào)制器。利用Ⅲ-Ⅴ材料高選擇性腐蝕比的特性,我們摸索出全濕法制作Ⅲ-Ⅴ波導(dǎo)的工藝,簡化了傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ波導(dǎo)的制作流程。我們首次展示了基于能帶填充效應(yīng)的低驅(qū)動(dòng)電壓電吸收光調(diào)制器。該調(diào)制器的長度有80μm,驅(qū)動(dòng)電壓值只有50 mV,動(dòng)態(tài)消光達(dá)到6.3 dB,動(dòng)態(tài)能耗只有0.29 fJ/bit,與此同時(shí)調(diào)制速率有1.25 Gbps。這是目前報(bào)道中驅(qū)動(dòng)電壓最低的光調(diào)制器之一�；�于能帶填充效應(yīng)的電吸收光調(diào)制器提供了一種實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓,低功耗,小尺寸光調(diào)制器的新思路。借助于電吸收光調(diào)制器在反偏電壓下具有雙工作狀態(tài)的特點(diǎn),我們測試了其作為光探測器的性能。我們驗(yàn)證了電吸收光調(diào)制器也可以作為高速的光探測器。它在-3 V的偏壓下有0.86 A/W的響應(yīng)度,并且它的探測速度能達(dá)到20 Gbps。利用這個(gè)特點(diǎn),我們首次展示了集成級聯(lián)的兩個(gè)陣列波導(dǎo)光柵,6個(gè)高速光調(diào)制器,6個(gè)高速光探測器的單片硅基混合集成的光收發(fā)模塊。借助于能帶填充效應(yīng)下,電吸收光調(diào)制器高消光比的特點(diǎn),我們克服了級聯(lián)陣列波導(dǎo)光柵的高插入損耗。當(dāng)單個(gè)信道的收發(fā)傳輸速率在1.5 Gbps時(shí),我們在光探測器端觀測到了清晰的睜開的眼圖。第二個(gè)創(chuàng)新方案,利用低損耗微環(huán)對內(nèi)部反射敏感的特點(diǎn),我們設(shè)計(jì)了新型的基于可調(diào)反射鏡和微環(huán)結(jié)構(gòu)的純硅基光調(diào)制器。這種硅基可調(diào)反射鏡的微環(huán)光調(diào)制器,既比微環(huán)光調(diào)制器結(jié)構(gòu)有更大的光學(xué)帶寬,也比馬赫-曾德爾光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)緊湊。我們設(shè)計(jì)的光調(diào)制器相位調(diào)制區(qū)域有200 μm時(shí),理論預(yù)測的驅(qū)動(dòng)電壓只需要0.5 V,也能實(shí)現(xiàn)8 dB的消光比。接著,我們首次分析了調(diào)制微環(huán)內(nèi)部反射率時(shí),微環(huán)內(nèi)光子壽命對調(diào)制帶寬的影響。我發(fā)現(xiàn)此光調(diào)制器的調(diào)制帶寬受到光子壽命的限制。
[Abstract]:Silicon based platform is not only widely used in the field of traditional semiconductor electronics, but also widely used in micro nano photonic system. Silicon based platform has become an ideal platform for realizing micronanoscale integrated chips. Optical communication module in optoelectronic integrated chips can improve communication speed between chips and reduce communication power. Silicon based optical communication module It also brings new challenges to traditional semiconductor design and production. Therefore, silicon based optical communication module has great research and practical value. As an indispensable link in optical communication module, light modulator has always been the focus of this field. More and more attention has been paid to the sub integrated chips. The research of this paper includes two new schemes for the realization of low drive voltage light modulator on the silicon based platform. The first innovation is to use the hybrid integration technology to direct the direct bandgap III - V multi quantum well materials directly to the silicon based optical waveguides, and use the multi quantum well material of III - v. On this silicon based hybrid platform, three tapered coupling structures are creatively designed to suppress the excitation of high order modes in the III - V waveguide and shorten the coupling length between pure silicon and hybrid integrated III - V waveguides. The length of the coupling structure is only 8 m. We can realize the coupling of more than 95% energy. By virtue of this design idea, this paper makes and tests the silicon based hybrid integrated III - V electric absorption light modulator. Using the characteristics of high selective corrosion ratio of III - V material, we find out the process of making the 3 - V waveguide by the full wet method, simplifying the production process of the traditional III - V waveguide. A low drive voltage electro absorption light modulator based on the band filling effect is presented. The modulator has a length of 80 mu m, a driving voltage value of only 50 mV, a dynamic extinction of 6.3 dB, a dynamic energy consumption of only 0.29 fJ/bit, and a modulation rate of 1.25 Gbps. at the same time. This is one of the lowest driving voltages in the present report. The effect of the electro absorption light modulator provides a new idea for realizing low drive voltage, low power, small size light modulator. We have tested its performance as a photodetector with the aid of the dual working state of the electro absorption light modulator at the reverse bias voltage. We verify that the electric absorption light modulator can also be used as a high-speed light. The detector has a response degree of 0.86 A/W under the bias voltage of -3 V, and its detection speed can reach 20 Gbps.. We first display the optical transceiver module of the integrated cascaded two array waveguide gratings, 6 high speed light modulators, and 6 high-speed optical detectors. With the aid of the band filling effect, We overcome the high insertion loss of the cascaded arrayed waveguide grating. When the transmission rate of a single channel is 1.5 Gbps, we observed a clear open eye picture at the photodetector end. Second innovative schemes, which are sensitive to internal reflection using low loss Microrings, are designed. A new type of pure silicon based light modulator based on adjustable reflector and microring structure. This silicon based tunable mirror micro ring light modulator has greater optical bandwidth than a micro ring light modulator, and a compact structure of the Maher Zeng Del light modulator. The theoretical prediction of the phase modulation region of the optical modulator we designed is 200 mu. The driving voltage is only 0.5 V, and the extinction ratio of 8 dB can be realized. Then, we first analyze the influence of the photon lifetime in the microloop on the modulation bandwidth when the inner reflectivity of the microloop is modulated.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN761

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本文編號：2164591