全硅高阶电光调制器与光电探测器的研究

发布时间：2018-04-16 17:18

本文选题：光通信 + 硅基光子学　；参考：《上海交通大学》2015年博士论文

【摘要】：在未来光通信系统中,光电混合集成是必然趋势,而作为光传输网络中电光、光电转换的关键器件,调制器和探测器的性能影响着整个光通信系统。硅基材料光器件以其低功耗、低成本、微型化和与传统CMOS工艺兼容的优势,已经成为光通信调制和探测技术发展中不可或缺的一部分。与传统非硅材料(如磷化铟、砷化镓等)相比,硅材料本身对光调制和吸收的效应较弱,如果对这两方面性能的提升进行研究,将会具有很大的学术价值和应用前景。本论文针对现有硅基调制器和探测器的不足,以全硅材料(即在器件制备中不使用除了硅、二氧化硅和金属铝电极以外的材料,使得制备工艺更简单、成本更低)为基础,在速率、功耗、尺寸等主要指标以及器件加工的可行性、简易性和工作稳定性上做了深入研究,为高性能全硅发送接收器的集成提供技术支撑。全硅电光调制器主要实现电信号到光信号的转换。本论文研究的调制器主要以马赫曾德尔干涉器结构为基础,以减小调制器尺寸、降低功耗、提升调制带宽和调制效率、降低信号误码率等性能为目标,同时兼顾其封装和与其它硅器件的芯片级集成等实用性。本论文研究的调制器,从设计模块来划分,包括器件的光学部分、电学部分和热光部分。调制器的光学部分包括调制单元和分光器。对于调制单元,重点分析受限于硅中心反演结构导致电光调制效应很弱的问题。通过在硅波导中嵌入p-n结,利用其在反向偏压下的等离子色散效应来实现快速、高效调制。对于分光器,重点解决马赫曾德尔两臂的光能量均衡性问题,以实现调制深度最大。通过采用多模干涉(MMI)结构,利用其自映像效应可以使得分光能量更均匀、分光器尺寸更小、插入损耗更低。调制器的电学部分则涉及行波电极与末端匹配电阻的设计。基于马赫曾德尔结构的调制器长度通常为几个毫米,需要考虑在信号传输方向上微波与光波的相位匹配和在波导横截面内微波模场与光波模场的交叠。通过对单驱动推挽式行波电极结构的设计,使得微波信号反射降低,调制器带宽提高。与行波电极设计需要同时考虑的是末端阻抗匹配设计,即在行波电极末端嵌入匹配电阻,以减小微波信号在电极末端的反射。本论文采用内嵌重掺杂硅电阻的设计,摸索出同等重掺杂浓度、宽度、深度下的最佳长度,以使得加工好的内嵌电阻的特征阻抗稳定在50Ω附近。调制器热光部分主要就是基于热光效应的移相器,本论文重点考虑如何在高阶调制中减少移相器数量和降低单个移相器π相移功率问题。高阶调制(如正交相移键控qpsk、正交幅度调制qam等)是指多幅度多相位调制,即与传统调制(如开关键控ook,二进制相移键控bpsk等)只对幅度或相位进行二进制控制的方法相比,可以成倍提高调制信号速率。而移相器的结构设计则是高阶调制器的关键环节之一。本论文通过研究不同移相器之间的相位关联性,采用组合控制手段实现qpsk调制,使得移相器数量比采用传统qpsk调制移相设计方法使用的数量减少三分之一。为了降低功耗,本论文还采用了深硅刻蚀隔热的方法以使其热量传播的方向性更好,产生的热量更集中于波导上,从而使得热移相效率更高。最后对制备的全硅高阶调制器进行了不同调制速率、不同调制格式的测试,信号格式包括ook、bpsk和qpsk,驱动信号速率包括10gb/s、20gb/s、25gb/s、32gb/s,并检验了64gb/s的qpsk调制信号经过10km标准单模光纤传输后的质量。与目前报道的全硅qpsk调制器相比,本论文提出的器件在满足了调制速率、误码率等主要指标的情况下,大幅缩小了器件的尺寸(5mm2)、降低了功耗(~7.1pj/bit)、简化了测试系统,更有利于集成和封装。全硅光电探测器主要实现光信号到电信号的转换。探测器响应度和带宽是全硅光电探测器的核心指标,本论文围绕这两个核心指标,从硅材料特性、探测机理(表面态吸收、双光子吸收)和结类型(交趾型p-n结、n-p-n结、横向p-n结)等方面予以深入研究。由于受限于硅的间接能带结构,同时能隙大于通信波长光子能量,其光电转换效果很弱。而在硅波导表面,由于晶格周期性势场的破坏,在带隙中形成了多个新的能级,从而可发生表面态吸收(ssa)过程产生光电流。另外,在硅微盘谐振腔结构中,存储的强光能量会导致非线性效应,从而可发生双光子吸收(tpa)过程产生光电流。但全硅探测响应度仍然较商用探测器低,需要通过电流增益效应来增强光电流。本论文主要设计并制备了四种全硅探测器:交趾型p-n结波导探测器、n-p-n结波导探测器、交趾型p-n结微盘探测器、横向p-n结微盘探测器。首先,基于SSA效应,本论文设计了一种在波导中嵌入交趾型p-n结的波导探测器。交趾型p-n结是在与硅波导中光传播方向垂直的横截面内嵌入的一种p-n结。在反向偏压下,由于交趾型p-n结内强电场对硅波导表面的大范围覆盖,光电流获得的有效增益得到增加,比起传统的嵌入p-i-n结和横向p-n结方式有了较大提升。为了进一步提高基于SSA效应的硅波导探测器性能,本论文通过缩小波导宽度来提高光能量在波导侧壁的吸收,通过增加掺杂浓度来增强雪崩效应和通过缩短器件长度来提高带宽,同时通过选择合适的工作偏压来平衡器件的性能和稳定性。其次,同样基于SSA效应,本论文还研究了n-p-n结波导探测器。与前一种使用雪崩效应进行电流放大的探测器不同,此结构利用晶体管增益的方式,以实现更低偏压下光电流的线性放大。同时由于不需要离子化积累过程,电流放大过程中无过剩噪声影响。再次,本论文还设计了基于TPA效应的交趾型p-n结微盘探测器,在较低掺杂浓度的结内强电场、大耗尽区域作用下,由于自由载流子浓度的大幅度降低,自由载流子吸收(FCA)效应被有效抑制,从而使得探测响应度增加。最后,仍然基于TPA效应,本论文设计了横向p-n结微盘探测器,主要思路是在微盘上特殊设计横向p-n结的位置,使得微盘中的回音壁模式(WGMs)光模场与电场的重叠最大化,从而使电流获得谐振增强放大。与目前报道的全硅光电探测器相比,本论文提出的全硅探测器件具有探测响应度更高(2A/W)、增益带宽积更大(1THz)等特点,同时制备简单、设计灵活、集成方便。最后本论文对所有的研究内容做了总结,并对未来硅基光器件的发展方向和趋势做了论述。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN761;TN15

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