新型低驅動電壓硅基光調(diào)制器的研究.pdf

1、硅基平臺不僅在傳統(tǒng)半導體電子領域中有廣泛運用，在微納光子系統(tǒng)中也被廣泛采用。硅基平臺成為了實現(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)的半導體設計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用價值。光調(diào)制器做為光通信模塊中不可缺少的一環(huán)，一直是該領域關注的重點。其中低驅動電壓的光調(diào)制器由于其驅動電路簡單，能耗低，在光電子集成芯片中受到越來越多的

2、關注。本論文的研究包含了硅基平臺上實現(xiàn)低驅動電壓光調(diào)制器的兩種新型方案。
　　第一個創(chuàng)新方案，采用混合集成技術，將直接帶隙的Ⅲ-Ⅴ多量子阱材料直接鍵合到硅基光波導上面，利用Ⅲ-Ⅴ多量子阱材料的能帶填充效應實現(xiàn)低驅動電壓的電吸收光調(diào)制器。在這種硅基混合平臺上，本文創(chuàng)新地設計了三段錐形耦合結構，從而抑制Ⅲ-Ⅴ波導中高階模的激發(fā)，縮短了純硅波導和混合集成Ⅲ-Ⅴ波導之間的耦合長度。該耦合結構長度只有8μm，就能實現(xiàn)95％以上能量的耦合。憑

3、借這種設計思路，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，摸索出全濕法制作Ⅲ-Ⅴ波導的工藝，簡化了傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ波導的制作流程。首次展示了基于能帶填充效應的低驅動電壓電吸收光調(diào)制器。該調(diào)制器的長度有80μm，驅動電壓值只有50 mV，動態(tài)消光達到6.3 dB，動態(tài)能耗只有0.29 fJ/bit，與此同時調(diào)制速率有1.25 Gbps。這是目前報道中驅動電壓最低的光調(diào)制器之一。基于能帶填充效應的電吸

4、收光調(diào)制器提供了一種實現(xiàn)低驅動電壓，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，測試了其作為光探測器的性能。驗證了電吸收光調(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的響應度，并且它的探測速度能達到20 Gbps。利用這個特點，首次展示了集成級聯(lián)的兩個陣列波導光柵，6個高速光調(diào)制器，6個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下，電吸收

5、光調(diào)制器高消光比的特點，克服了級聯(lián)陣列波導光柵的高插入損耗。當單個信道的收發(fā)傳輸速率在1.5 Gbps時，在光探測器端觀測到了清晰的睜開的眼圖。
　　第二個創(chuàng)新方案，利用低損耗微環(huán)對內(nèi)部反射敏感的特點，設計了新型的基于可調(diào)反射鏡和微環(huán)結構的純硅基光調(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)制器結構有更大的光學帶寬，也比馬赫-曾德爾光調(diào)制器的結構緊湊。設計的光調(diào)制器相位調(diào)制區(qū)域有200μm時，理論預測的驅動電壓只需要0.