基于SOI的高速集成光波導(dǎo)調(diào)制器件的研究.pdf

1、高速光調(diào)制器對(duì)光交叉、光互聯(lián)系統(tǒng)的構(gòu)建起到了十分重要的作用，是當(dāng)前光通信網(wǎng)絡(luò)的核心器件。得益于集成光子學(xué)的發(fā)展，集成光調(diào)制器件的研究倍受重視。其中，基于絕緣體上硅(Silicon on Insulator，SOI)平臺(tái)的光波導(dǎo)調(diào)制器具有尺寸小、功耗低、集成度高、響應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外的研究焦點(diǎn)。但是，SOI光調(diào)制器在傳輸損耗、尺寸、功耗、調(diào)制深度等方面都需要進(jìn)一步的改善與提高。本論文主要圍繞這些問題，提出了如下的改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)思

2、路，并對(duì)基于不同工作機(jī)理的（熱光、載流子色散、電光、全光）SOI光波導(dǎo)調(diào)制器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　提出了一種基于光子-表面等離子激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）混合集成的1×2馬赫-曾德爾干涉(Mach-Zehnder Interference，MZI)型熱光開關(guān)。其中，介質(zhì)沉積型SPP波導(dǎo)構(gòu)成相位調(diào)制臂，其余部分由Si波導(dǎo)組成。相較于傳統(tǒng)的硅基熱光調(diào)制器，該開關(guān)結(jié)合了Si波導(dǎo)傳輸損耗低

3、和介質(zhì)沉積型SPP波導(dǎo)尺寸小、熱光調(diào)制效率高的優(yōu)勢(shì)。其調(diào)制臂長(zhǎng)只有70μm，開關(guān)功耗僅為7mW，響應(yīng)時(shí)間是6.7μs，且器件的插損被有效地控制在10dB以內(nèi)。
　　提出了一種基于重?fù)诫sSi波導(dǎo)的載流子色散型n-p-n結(jié)等離子吸收調(diào)制器。通過重?fù)诫s使Si獲得金屬性質(zhì)，可以支持SPP波的傳輸，并且利用其強(qiáng)模場(chǎng)束縛能力大大減小調(diào)制器的尺寸。相較于普通的p-i-n型硅基調(diào)制器，超高載流子摻雜濃度可以使該器件的調(diào)制消光比獲得很大提升。多物理

4、場(chǎng)的仿真結(jié)果表明，盡管這種器件的調(diào)制區(qū)域僅有1μm2，然而其調(diào)制深度可以達(dá)到25dB，且具有2GHz的調(diào)制頻率。
　　針對(duì)Si材料電光性質(zhì)弱的缺陷，提出了一種Si波導(dǎo)與摻鑭的鋯鈦酸鉛(PLZT)電光薄膜相結(jié)合的異質(zhì)結(jié)型電光環(huán)形調(diào)制器。采用折射率大的Si作為芯層可以有效地減小器件尺寸，而選擇電光系數(shù)高的PLZT薄膜作為包層則能夠使器件獲得明顯的電光效應(yīng)。此外，通過電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以得到32dB的大調(diào)制深度和14GHz的高調(diào)制頻率。同

5、時(shí)，文中還設(shè)計(jì)了一種基于SPP波導(dǎo)的非對(duì)稱Au-PLZT-Au電光環(huán)形調(diào)制器，可進(jìn)一步發(fā)揮PLZT優(yōu)異的電光特性及SPP波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)束縛能力，該調(diào)制器的尺寸只有20μm2，而調(diào)制深度則高于25dB。
　　提出了一種低功耗、高集成度的Si-SPP混合結(jié)構(gòu)全光調(diào)制器，并實(shí)驗(yàn)上研制出了其中的關(guān)鍵核心元件——等離子Fano共振型光波導(dǎo)調(diào)制單元。該器件利用結(jié)構(gòu)緊湊的Au等離子納米諧振腔進(jìn)行調(diào)制，由低損耗的Si波導(dǎo)進(jìn)行信號(hào)傳遞。實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光