【摘要】：隨著科技的迅速發(fā)展,高速光纖通訊系統(tǒng)提出的要求越來(lái)越高,但摩爾定律接近其物理極限,基本的電互聯(lián)已不能滿足需求。這種情況下提出了將光和電相結(jié)合來(lái)獲得更高的帶寬和傳輸速率。同時(shí),硅基技術(shù)與傳統(tǒng)的CMOS相兼容,并且具有低成本、高帶寬和小尺寸的優(yōu)勢(shì)。將這些優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)有微電子技術(shù)相結(jié)合成為了解決瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵,為了延續(xù)摩爾定律,開(kāi)辟出了新的發(fā)展方向。光纖通信系統(tǒng)主要包含了激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等等關(guān)鍵器件。本文主要是研究基于MZI結(jié)構(gòu)的SOI基電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝研究。本文對(duì)脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了單模脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸,脊高為150nm,脊寬為350nm~550nm。基于反向楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式變換作用,本文提出了輸入/輸出波導(dǎo)為倒錐型結(jié)構(gòu)的雙層刻蝕的1×2多模干涉器,其中220nm刻蝕的波導(dǎo)寬度為2.9μm,長(zhǎng)度為15μm,多模區(qū)的寬度為19.94μm,長(zhǎng)度為40.67μm,70nm刻蝕的波導(dǎo)寬度為1.35μm,長(zhǎng)度為30μm,多模區(qū)的寬度為5μm,長(zhǎng)度為25.4μm,得到的損耗為0.43 dB,雙層刻蝕的MMI分光比為45.9%,單層刻蝕的MMI只能達(dá)到39.1%。本文使用Lumerical軟件進(jìn)行電學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),改變脊形波導(dǎo)的寬度、PN結(jié)的位置和PN結(jié)處摻雜載流子的濃度,利用其對(duì)有效折射率的變化產(chǎn)生的影響來(lái)確定調(diào)制器中調(diào)制臂脊型波導(dǎo)最佳值為400 nm,脊高為150 nm,平板層的厚度為70 nm,p型摻雜區(qū)偏離波導(dǎo)中央的距離y_(offset)為20~35 nm,d_(n+)=1.48μm,d_(p+)=1.52μm,PN結(jié)處,N區(qū)、P區(qū)摻雜濃度大于等于2×10~177 cm~(-3),N+、P+區(qū)為載流子的過(guò)渡區(qū),摻雜濃度為10~(19)/cm~3,重?fù)诫s區(qū)為10~(21)/cm~3。所得調(diào)制臂的損耗為3.78dB/cm,消光比為3.7dB,調(diào)制帶寬為37GHZ,調(diào)制速率最高為50Gbps。在仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用中科院微電子所8寸工藝平臺(tái)完成了硅基電光調(diào)制器的制作。通過(guò)測(cè)量波導(dǎo)群的損耗確定波導(dǎo)損耗為6dB/cm,-4V偏壓下所測(cè)量的帶寬為17GHZ,調(diào)制速率為30Gbit/s。提出狹縫脊型波導(dǎo),對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得出當(dāng)兩側(cè)波導(dǎo)寬度分別為220nm,狹縫寬度為40nm,狹縫刻蝕Si的厚度為220nm時(shí),狹縫中歸一化功率取得最大值13.54%。
【圖文】：

圖 1.1 MOS 電容結(jié)構(gòu)圖 圖 1.2 微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖2007 年，Intel 利用反向 PN 結(jié)的電學(xué)結(jié)構(gòu)，橫截面圖如圖 1.3 所示，它包括一個(gè) p 型摻雜晶體硅脊形波導(dǎo)，脊型波導(dǎo)寬度約為 0.6 μm，脊高度約為 0.5 μmn 型摻雜硅蓋層（寬約 1.8 μm）。利用非選擇性外延硅生長(zhǎng)工藝形成其�。� 0.1 μm厚）的蓋層，并用于 p-n 結(jié)形成和電接觸。 p 摻雜濃度約為 1.5×1017cm-3，n 摻雜濃度從帽層頂部附近的 3×1018cm-3變?yōu)?p-n 結(jié)處 1.5×1017cm-3。為了保證硅和金屬觸點(diǎn)之間良好的歐姆接觸，從脊型波導(dǎo)邊緣兩側(cè)約 1 微米的平板區(qū)域和距脊邊約 0.3 微米的薄帽層重?fù)诫s濃度約為 1×1020cm-3的 p 型和 n 型摻雜物。該工藝的目的是將 p-n 結(jié)靶向埋入氧化物的大約 0.4 微米處，，以實(shí)現(xiàn)與耗盡區(qū)的最佳模式重疊。由于 n 摻雜濃度遠(yuǎn)高于 p 摻雜濃度，反向偏置下的載流子耗盡主要發(fā)生在 p 型摻雜區(qū)域。這導(dǎo)致更好的相位調(diào)制效率，因?yàn)榕c根據(jù)光吸收譜的Kramers-Kronig 分析的電子密度變化相比，空穴密度變化導(dǎo)致更大的折射率變化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為 40 Gbps；3dB 光響應(yīng)帶寬為 30GHZ[14]。2012 年，英國(guó) Surrey 大學(xué)的 D.J.Thomson 等研究人員率先報(bào)道了 50 Gbit[15]，通過(guò)采用與脊形波導(dǎo)側(cè)壁共面的 PN 結(jié)使得器件在高速率調(diào)制

圖 1.1 MOS 電容結(jié)構(gòu)圖 圖 1.2 微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖2007 年，Intel 利用反向 PN 結(jié)的電學(xué)結(jié)構(gòu)，橫截面圖如圖 1.3 所示，它包括一個(gè) p 型摻雜晶體硅脊形波導(dǎo)，脊型波導(dǎo)寬度約為 0.6 μm，脊高度約為 0.5 μmn 型摻雜硅蓋層（寬約 1.8 μm）。利用非選擇性外延硅生長(zhǎng)工藝形成其�。� 0.1 μm厚）的蓋層，并用于 p-n 結(jié)形成和電接觸。 p 摻雜濃度約為 1.5×1017cm-3，n 摻雜濃度從帽層頂部附近的 3×1018cm-3變?yōu)?p-n 結(jié)處 1.5×1017cm-3。為了保證硅和金屬觸點(diǎn)之間良好的歐姆接觸，從脊型波導(dǎo)邊緣兩側(cè)約 1 微米的平板區(qū)域和距脊邊約 0.3 微米的薄帽層重?fù)诫s濃度約為 1×1020cm-3的 p 型和 n 型摻雜物。該工藝的目的是將 p-n 結(jié)靶向埋入氧化物的大約 0.4 微米處，以實(shí)現(xiàn)與耗盡區(qū)的最佳模式重疊。由于 n 摻雜濃度遠(yuǎn)高于 p 摻雜濃度，反向偏置下的載流子耗盡主要發(fā)生在 p 型摻雜區(qū)域。這導(dǎo)致更好的相位調(diào)制效率，因?yàn)榕c根據(jù)光吸收譜的Kramers-Kronig 分析的電子密度變化相比，空穴密度變化導(dǎo)致更大的折射率變化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為 40 Gbps；3dB 光響應(yīng)帶寬為 30GHZ[14]。2012 年，英國(guó) Surrey 大學(xué)的 D.J.Thomson 等研究人員率先報(bào)道了 50 Gbit[15]，通過(guò)采用與脊形波導(dǎo)側(cè)壁共面的 PN 結(jié)使得器件在高速率調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN761

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王興軍;蘇昭棠;周治平;;硅基光電子學(xué)的最新進(jìn)展[J];中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2015年01期

2 李佳;;馬赫—曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器原理及其在光纖通信中的應(yīng)用[J];湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2010年03期

本文編號(hào)：2596576