【摘要】：硅基集成電路在電子工業(yè)發(fā)展中占據(jù)著主導(dǎo)地位,在各個領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。隨著高性能計算和高速互連的發(fā)展,銅線逐漸無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｈ饣ミB具有大帶寬和長距離傳輸?shù)膬?yōu)點,因此被認(rèn)為是一種有前途的解決方案。為實現(xiàn)低成本的全光互連,集成光子器件已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門研究領(lǐng)域。在這些技術(shù)中,硅基集成光子器件兼容于現(xiàn)有的硅基集成電路制造工藝,是光電子領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。硅基微諧振器具有小尺寸、低功耗和波長選擇性等特點,因而在光通信系統(tǒng)中具有非常廣泛的應(yīng)用。本文研究了基于硅基微諧振器的光濾波器和光開關(guān)技術(shù),首先理論分析了光波導(dǎo)器件的基本結(jié)構(gòu),然后在此基礎(chǔ)上研究了硅基微諧振器在硅基交織器、梳狀濾波器和光開關(guān)中的應(yīng)用。本文的研究成果概括如下:1.基于硅基微諧振器的交織器波分復(fù)用(WDM)和高頻譜效率是提升光通信系統(tǒng)容量的主要方式。交織器可以實現(xiàn)波分復(fù)用信號的復(fù)用和解復(fù)用,降低信道串?dāng)_和噪聲。為了實現(xiàn)小尺寸和低功耗的交織器,本部分提出并實驗演示了三種硅基交織器結(jié)構(gòu)。1)基于邁克爾遜-吉萊-圖努瓦干涉儀(MGTI)的波長可調(diào)交織器:提出并實驗演示了硅基集成的波長可調(diào)MGTI交織器,該交織器具有較小尺寸和方形濾波譜。與基于微環(huán)的交織器相比,由于吉萊-圖努瓦標(biāo)準(zhǔn)具(GTE)的駐波特性,實現(xiàn)相同信道間隔時具有更小的尺寸和更高的波長調(diào)節(jié)效率。器件尺寸為125μm×376μm,20-dB與3-dB帶寬比為1.63,熱調(diào)效率為~0.02 nm/mW。2)基于級聯(lián)薩格納克環(huán)干涉環(huán)路的波長可調(diào)交織器:提出了含有一個法珀諧振器的干涉環(huán)路結(jié)構(gòu),并根據(jù)最大平坦準(zhǔn)則設(shè)計了平頂濾波的交織器,該器件具有小尺寸、平頂濾波和方便調(diào)節(jié)的優(yōu)點。器件尺寸為120μm×60μm,20-dB與3-dB帶寬比為1.42,熱調(diào)效率為~0.08 nm/mW。3)基于一維法珀諧振器干涉環(huán)路的粗波分復(fù)用(CWDM)交織器:首次利用小尺寸和大自由光譜范圍(FSR)的一維法珀諧振器實現(xiàn)了平頂濾波的CWDM交織器,該交織器具有小尺寸、大FSR、低插損(IL)和平頂濾波的優(yōu)點,可用于構(gòu)建CWDM復(fù)用器。器件尺寸為64μm×70μm,IL為~0.5 dB,信道間隔為~19 nm,1-dB帶寬為~13 nm。2.基于硅基微諧振器的波長帶寬可調(diào)濾波器光網(wǎng)絡(luò)中存在多種不同信道間隔和帶寬的信號,為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化需要設(shè)計可重構(gòu)的光濾波器。波長帶寬調(diào)節(jié)是可重構(gòu)濾波器研究中的一個重要課題。本部分圍繞波長帶寬獨立調(diào)節(jié)的目標(biāo),提出并實驗演示了一種波長帶寬可調(diào)的梳狀濾波器�；诩壜�(lián)薩格納克環(huán)的波長帶寬可調(diào)梳狀濾波器:提出并實驗演示了波長和帶寬可調(diào)的梳狀濾波器。該濾波器由兩個帶有馬赫-曾德干涉儀(MZI)耦合器的薩格納克環(huán)構(gòu)成,通過對MZI兩臂實現(xiàn)共模和差模調(diào)節(jié),可以改變薩格納克環(huán)的相移和反射率,進(jìn)而調(diào)節(jié)梳狀譜的波長和帶寬。所設(shè)計的梳狀濾波器在30-nm波長范圍內(nèi)具有間隔為0.322 nm的93個梳狀譜線。波長熱調(diào)效率為~0.019 nm/mW,熱調(diào)范圍為~0.462 nm。當(dāng)差分熱調(diào)功率從0 mW增加到0.53 mW時,濾波帶寬從5.88 GHz增加到24.89 GHz。3.基于硅基微諧振器的光開關(guān)大規(guī)模光開關(guān)是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件,基于硅基微諧振器的光開關(guān)具有小尺寸、低功耗和波長選擇性等特點。本部分研究兩類基于硅基微諧振器的光開關(guān),開關(guān)單元(SE)結(jié)構(gòu)分別為雙納米梁(nanobeam)MZI和雙環(huán)諧振器。1)基于雙納米梁MZI的2×2熱光開關(guān):實驗演示了基于雙納米梁MZI的2×2熱光開關(guān),該開關(guān)結(jié)構(gòu)是將兩個納米梁嵌入到MZI兩臂。由于納米梁具有超小模場體積和高Q值的特點,因此適用于實現(xiàn)小尺寸和低功耗的光開關(guān)。器件尺寸為38μm×84μm,通過對兩個納米梁的熱調(diào)實現(xiàn)開關(guān)切換。交叉(cross)和直通(bar)狀態(tài)的熱調(diào)功率分別為~2.66 mW和~2.36 mW。上升沿和下降沿的響應(yīng)時間分別為7.1μs和3.9μs。2)基于雙環(huán)諧振器的N×N光開關(guān):實驗演示了O波段基于雙環(huán)諧振器的2×2和4×4熱光開關(guān),以及4×4電光開關(guān),并設(shè)計了基于雙環(huán)諧振器的16×16電光開關(guān)。電光開關(guān)單元中,微加熱器(heater)、p-i-n結(jié)和光電探測器(PD)分別用于諧振波長對準(zhǔn)、開關(guān)切換和功率監(jiān)測。雙環(huán)熱調(diào)效率為~0.057 nm/mW,熱調(diào)一個FSR所需功率為~210 mW。電調(diào)效率為~0.034 nm/mW,上升和下降沿時間分別為5.5 ns和6.9 ns。PD響應(yīng)率為~0.53 A/W。4×4電光開關(guān)的最大插損為10.3 dB,電調(diào)的消光比為27.5 dB。
【圖文】：

第一章 緒論第 2 頁圖1-1 光電互連發(fā)展趨勢[6]Fig.1-1 Trends of optical and electrical interconnects [6]硅基器件的優(yōu)勢在于與硅基集成電路 CMOS 工藝兼容，可以實現(xiàn)大規(guī)模集成，因而具有較低的成本。由于硅的折射率較高（C 波段折射率約為 3.48），與二氧化硅（C 波段折射率約為 1.46）具有大的折射率差，，因此可以增強(qiáng)對光的束縛，減小器件尺寸，提高芯片集成度。雖然硅沒有 Pockels 效應(yīng)，但是可以通過載流子注入/耗散實現(xiàn)折射率調(diào)制，也可以利用硅較大的熱光系數(shù)（1.86 ×10 4/K）進(jìn)行熱光調(diào)制。圖1-2 三維硅基光子芯片[7]Fig.1-2 3D silicon photonic chip [7]正是由于硅基集成光路結(jié)合了硅基器件和光的優(yōu)勢，硅基光子學(xué)引起了人們廣泛的關(guān)注。在產(chǎn)業(yè)需求、學(xué)術(shù)研究和半導(dǎo)體工藝發(fā)展的共同推動下

4/K）進(jìn)行熱光調(diào)制。圖1-2 三維硅基光子芯片[7]Fig.1-2 3D silicon photonic chip [7]正是由于硅基集成光路結(jié)合了硅基器件和光的優(yōu)勢，硅基光子學(xué)引起了人們廣泛的關(guān)注。在產(chǎn)業(yè)需求、學(xué)術(shù)研究和半導(dǎo)體工藝發(fā)展的共同推動下，硅基光子學(xué)取得令人矚目的發(fā)展。硅基光通信器件按功能分類包括激光器、調(diào)制器、探測器、濾波器和光開關(guān)等[7]。將不同功能的硅基器件集成在單個芯片上，形成片上光網(wǎng)絡(luò)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN713;TN40

【參考文獻(xiàn)】

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1 Zhiping Zhou;Bing Yin;Qingzhong Deng;Xinbai Li;Jishi Cui;;Lowering the energy consumption in silicon photonic devices and systems [Invited][J];Photonics Research;2015年05期

本文編號：2688684