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越來越接近極限,亟待一個新的互連技術來打破這個瓶頸。光通信技術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。全球的學術界和工業(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中,基于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)的技術引起了研究人員的廣泛關注。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金屬氧化物半導體(CMOS)加工技術等特點,使得硅基光子芯片被認為是構(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)制器的實現(xiàn)方案,提出了一個基于低損耗表面等離子體光波導和高非線性聚合物的相位調(diào)制器,并利用該調(diào)制器實現(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和高非線性系數(shù)的聚合物實現(xiàn)了一個片上的高增益寬帶寬的光參量放大器,實現(xiàn)光的放大;在光無源器件—耦合器方面,主要針對兩個不同波導—硅基帶狀波導和硅基狹

4、縫波導,設計一個高耦合效率、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元器件。相位調(diào)制器可以實現(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)制器實現(xiàn)光幅度調(diào)制(ASK)。本文采用一個低損耗高束縛性的硅基表面等離子體波導,結(jié)合高非線性系數(shù)的聚合物,實現(xiàn)了一個調(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)約了一個光衰減器,且只用了兩個相位調(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,可以達到很高的增益和很寬的帶寬,并且中心波長可以任意設置。本文利用表面等離子體波導的高束縛性和高光場增強性,并結(jié)合聚合物的高非線性,獲得了很高的非線性系數(shù)。我們獨特地引入了一個負的非線性系數(shù)的聚合物,滿足了相位匹配條件,從而實現(xiàn)了

7、一個帶寬具有約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20 dB。
　　4.硅基狹縫波導的耦合方案研究硅基狹縫波導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注。研究員們針對硅基狹縫波導提出了許多應用,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的狹縫中是一個難題。而光纖到硅基帶狀波導