高速SOI光调制器结构设计和工艺研究
发布时间：2020-03-23 10:10
【摘要】：随着科技的迅速发展,高速光纤通讯系统提出的要求越来越高,但摩尔定律接近其物理极限,基本的电互联已不能满足需求。这种情况下提出了将光和电相结合来获得更高的带宽和传输速率。同时,硅基技术与传统的CMOS相兼容,并且具有低成本、高带宽和小尺寸的优势。将这些优势与现有微电子技术相结合成为了解决瓶颈问题的关键,为了延续摩尔定律,开辟出了新的发展方向。光纤通信系统主要包含了激光器、调制器、探测器等等关键器件。本文主要是研究基于MZI结构的SOI基电光调制器的结构设计和工艺研究。本文对脊形波导结构进行了优化设计,确定了单模脊形波导结构尺寸,脊高为150nm,脊宽为350nm~550nm。基于反向楔形波导结构的模式变换作用,本文提出了输入/输出波导为倒锥型结构的双层刻蚀的1×2多模干涉器,其中220nm刻蚀的波导宽度为2.9μm,长度为15μm,多模区的宽度为19.94μm,长度为40.67μm,70nm刻蚀的波导宽度为1.35μm,长度为30μm,多模区的宽度为5μm,长度为25.4μm,得到的损耗为0.43 dB,双层刻蚀的MMI分光比为45.9%,单层刻蚀的MMI只能达到39.1%。本文使用Lumerical软件进行电学结构和光学结构设计,改变脊形波导的宽度、PN结的位置和PN结处掺杂载流子的浓度,利用其对有效折射率的变化产生的影响来确定调制器中调制臂脊型波导最佳值为400 nm,脊高为150 nm,平板层的厚度为70 nm,p型掺杂区偏离波导中央的距离y_(offset)为20~35 nm,d_(n+)=1.48μm,d_(p+)=1.52μm,PN结处,N区、P区掺杂浓度大于等于2×10~177 cm~(-3),N+、P+区为载流子的过渡区,掺杂浓度为10~(19)/cm~3,重掺杂区为10~(21)/cm~3。所得调制臂的损耗为3.78dB/cm,消光比为3.7dB,调制带宽为37GHZ,调制速率最高为50Gbps。在仿真设计的基础上,利用中科院微电子所8寸工艺平台完成了硅基电光调制器的制作。通过测量波导群的损耗确定波导损耗为6dB/cm,-4V偏压下所测量的带宽为17GHZ,调制速率为30Gbit/s。提出狭缝脊型波导,对其结构参数进行了优化设计,得出当两侧波导宽度分别为220nm,狭缝宽度为40nm,狭缝刻蚀Si的厚度为220nm时,狭缝中归一化功率取得最大值13.54%。
【图文】：
图 1.1 MOS 电容结构图 图 1.2 微环谐振腔结构示意图2007 年，Intel 利用反向 PN 结的电学结构，横截面图如图 1.3 所示，它包括一个 p 型掺杂晶体硅脊形波导，脊型波导宽度约为 0.6 μm，脊高度约为 0.5 μmn 型掺杂硅盖层（宽约 1.8 μm）。利用非选择性外延硅生长工艺形成其薄（ 0.1 μm厚）的盖层，并用于 p-n 结形成和电接触。 p 掺杂浓度约为 1.5×1017cm-3，n 掺杂浓度从帽层顶部附近的 3×1018cm-3变为 p-n 结处 1.5×1017cm-3。为了保证硅和金属触点之间良好的欧姆接触，从脊型波导边缘两侧约 1 微米的平板区域和距脊边约 0.3 微米的薄帽层重掺杂浓度约为 1×1020cm-3的 p 型和 n 型掺杂物。该工艺的目的是将 p-n 结靶向埋入氧化物的大约 0.4 微米处，，以实现与耗尽区的最佳模式重叠。由于 n 掺杂浓度远高于 p 掺杂浓度，反向偏置下的载流子耗尽主要发生在 p 型掺杂区域。这导致更好的相位调制效率，因为与根据光吸收谱的Kramers-Kronig 分析的电子密度变化相比，空穴密度变化导致更大的折射率变化进一步实现了数据传输速率为 40 Gbps；3dB 光响应带宽为 30GHZ[14]。2012 年，英国 Surrey 大学的 D.J.Thomson 等研究人员率先报道了 50 Gbit[15]，通过采用与脊形波导侧壁共面的 PN 结使得器件在高速率调制
图 1.1 MOS 电容结构图 图 1.2 微环谐振腔结构示意图2007 年，Intel 利用反向 PN 结的电学结构，横截面图如图 1.3 所示，它包括一个 p 型掺杂晶体硅脊形波导，脊型波导宽度约为 0.6 μm，脊高度约为 0.5 μmn 型掺杂硅盖层（宽约 1.8 μm）。利用非选择性外延硅生长工艺形成其薄（ 0.1 μm厚）的盖层，并用于 p-n 结形成和电接触。 p 掺杂浓度约为 1.5×1017cm-3，n 掺杂浓度从帽层顶部附近的 3×1018cm-3变为 p-n 结处 1.5×1017cm-3。为了保证硅和金属触点之间良好的欧姆接触，从脊型波导边缘两侧约 1 微米的平板区域和距脊边约 0.3 微米的薄帽层重掺杂浓度约为 1×1020cm-3的 p 型和 n 型掺杂物。该工艺的目的是将 p-n 结靶向埋入氧化物的大约 0.4 微米处，以实现与耗尽区的最佳模式重叠。由于 n 掺杂浓度远高于 p 掺杂浓度，反向偏置下的载流子耗尽主要发生在 p 型掺杂区域。这导致更好的相位调制效率，因为与根据光吸收谱的Kramers-Kronig 分析的电子密度变化相比，空穴密度变化导致更大的折射率变化进一步实现了数据传输速率为 40 Gbps；3dB 光响应带宽为 30GHZ[14]。2012 年，英国 Surrey 大学的 D.J.Thomson 等研究人员率先报道了 50 Gbit[15]，通过采用与脊形波导侧壁共面的 PN 结使得器件在高速率调制
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761
本文编号：2596576
【图文】：
图 1.1 MOS 电容结构图 图 1.2 微环谐振腔结构示意图2007 年，Intel 利用反向 PN 结的电学结构，横截面图如图 1.3 所示，它包括一个 p 型掺杂晶体硅脊形波导，脊型波导宽度约为 0.6 μm，脊高度约为 0.5 μmn 型掺杂硅盖层（宽约 1.8 μm）。利用非选择性外延硅生长工艺形成其薄（ 0.1 μm厚）的盖层，并用于 p-n 结形成和电接触。 p 掺杂浓度约为 1.5×1017cm-3，n 掺杂浓度从帽层顶部附近的 3×1018cm-3变为 p-n 结处 1.5×1017cm-3。为了保证硅和金属触点之间良好的欧姆接触，从脊型波导边缘两侧约 1 微米的平板区域和距脊边约 0.3 微米的薄帽层重掺杂浓度约为 1×1020cm-3的 p 型和 n 型掺杂物。该工艺的目的是将 p-n 结靶向埋入氧化物的大约 0.4 微米处，，以实现与耗尽区的最佳模式重叠。由于 n 掺杂浓度远高于 p 掺杂浓度，反向偏置下的载流子耗尽主要发生在 p 型掺杂区域。这导致更好的相位调制效率，因为与根据光吸收谱的Kramers-Kronig 分析的电子密度变化相比，空穴密度变化导致更大的折射率变化进一步实现了数据传输速率为 40 Gbps；3dB 光响应带宽为 30GHZ[14]。2012 年，英国 Surrey 大学的 D.J.Thomson 等研究人员率先报道了 50 Gbit[15]，通过采用与脊形波导侧壁共面的 PN 结使得器件在高速率调制
图 1.1 MOS 电容结构图 图 1.2 微环谐振腔结构示意图2007 年，Intel 利用反向 PN 结的电学结构，横截面图如图 1.3 所示，它包括一个 p 型掺杂晶体硅脊形波导，脊型波导宽度约为 0.6 μm，脊高度约为 0.5 μmn 型掺杂硅盖层（宽约 1.8 μm）。利用非选择性外延硅生长工艺形成其薄（ 0.1 μm厚）的盖层，并用于 p-n 结形成和电接触。 p 掺杂浓度约为 1.5×1017cm-3，n 掺杂浓度从帽层顶部附近的 3×1018cm-3变为 p-n 结处 1.5×1017cm-3。为了保证硅和金属触点之间良好的欧姆接触，从脊型波导边缘两侧约 1 微米的平板区域和距脊边约 0.3 微米的薄帽层重掺杂浓度约为 1×1020cm-3的 p 型和 n 型掺杂物。该工艺的目的是将 p-n 结靶向埋入氧化物的大约 0.4 微米处，以实现与耗尽区的最佳模式重叠。由于 n 掺杂浓度远高于 p 掺杂浓度，反向偏置下的载流子耗尽主要发生在 p 型掺杂区域。这导致更好的相位调制效率，因为与根据光吸收谱的Kramers-Kronig 分析的电子密度变化相比，空穴密度变化导致更大的折射率变化进一步实现了数据传输速率为 40 Gbps；3dB 光响应带宽为 30GHZ[14]。2012 年，英国 Surrey 大学的 D.J.Thomson 等研究人员率先报道了 50 Gbit[15]，通过采用与脊形波导侧壁共面的 PN 结使得器件在高速率调制
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 王兴军;苏昭棠;周治平;;硅基光电子学的最新进展[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2015年01期
2 李佳;;马赫—曾德尔电光调制器原理及其在光纤通信中的应用[J];湖南工业职业技术学院学报;2010年03期
本文编号：2596576
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2596576.html
