100G硅光调制器集成芯片研究

发布时间：2020-07-10 09:31

【摘要】：硅材料来源丰富,成本低,机械性能、耐高温特性好,便于芯片加工和封装。借助集成电路已大规模商用的CMOS工艺平台实现硅光芯片的生产制造,可以有效解决我国高端光电子芯片制造能力薄弱、工艺能力不足的问题。不过,硅材料属间接带隙半导体材料,需要解决硅基光源加工和众多光元件集成难题;硅材料不存在线性电光效应和光电探测功能,也需要解决调制器加工和锗硅材料外延生长难题。加上硅光芯片对高端光器件的带宽、集成度、性能、功耗、可靠性和成本等要求极高,使得多年来硅光芯片研制一直是国内外热点和难点。针对以上工程科技问题,本文主要围绕100G硅光集成芯片及衬底掏空调制器展开了全面深入的研究。系统的研究了调制器的带宽限制因素并实现了带宽高达60GHz的硅光调制器。在此基础上制作了多种硅基光电调制器和硅光集成芯片,主要创新点如下:(1)针对目前硅光调制器应用时带宽受限和光芯片研制系列难题,本文研究了有源区的高频特性和调制器行波电极的等效电路模型,并基于上述结果研究了调制器的带宽公式。探索了实现带宽最大化需要满足的三个条件:较低的微波损耗、完美的阻抗匹配和电光折射率匹配。本文在国际上率先提出了衬底掏空硅光调制器的技术方案,通过重构衬底中的硅材料相比现有调制器设计方案可以获得更高的带宽、更匹配的阻抗和电光折射率。最终加工的调制器带宽达到了60GHz,这是目前国际上已报道的商用纯硅波导型硅光调制器带宽的最高纪录。基于这一光调制器实现了90Gbaud/s的OOK光眼图调制和56Gbaud/s的PAM4光眼图调制。实现了单波长100G调制器光芯片产业化(见M.Li et al.Photonics Research,2018,6(2):109-116)。(2)针对硅光调制器调制效率偏低和插损定量研究机理复杂等难题,本文提出了一整套研制流程和方案。定量研究了载流子电学分布、波导光模场分布和电光重叠积分等数值模拟过程。完成了整套商用流程的程序编写,大大简化了调制器性能定量评估流程,其评估结果与流片调制器芯片的实验结果一致(见X.Xiao,M.Li et al.OFC,2017.paper Tu2H.1(Invited talk))。针对目前单端调制器功耗较大且无法与400G电芯片匹配的难题,本文提出了三种差分驱动的硅光调制器设计方案,差分调制器的带宽可以达到30GHz,阻抗约为80Ω。所提出的三种差分调制器有效的支撑了未来的400G光器件(见李淼峰等.专利受理号:201611192997.0)。(3)针对目前光器件封装成本偏大占据整体成本70%的问题和分立电光芯片限制整体调制器带宽的问题,本文提出了混合集成可重构硅基单片光发射机和单片集成CWDM4光发射机两种硅光集成芯片设计方案,大幅度减小了光器件的封装成本,同时提高了整体发射机的性能(见N.QI,X.Xiao,Sh.Hu,M.Li et al.OFC,2016.paper Th1F.3)。(4)在应用方面针对光接入网络对更低成本、更高带宽和更长接入距离的需求,本文提出了一种硅基相干PON解决方案,在20km传输后可以获得-45dB的灵敏度。同时大幅度降低了接入成本(见M.Li et al.Opt.Express,2015,23(15):19799-19805)。针对目前数据中心光网络对单波100G及400G光芯片的迫切需求,本文提出了基于衬底掏空硅光调制器的单波长100G数据中心光芯片方案,实现了单波长100G PAM4信号的10km传输,完全满足数据中心的商用需求(见M.Li et al.Photonics Research,2018,6(2):109-116)。针对目前相干长距传输光模块体积大、成本高和功耗高等问题,本文提出了硅基IQ调制器光芯片设计方案,实测模块性能指标与商业化铌酸锂调制器相当。基于这一硅光IQ调制器实现了单载波200Gb/s传输2400公里,光芯片指标与国际上水平最高的美国acacia产品性能相当(X.Xiao,M.Li et al.OFC,2016.paper Th4H.5)。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761;TN929.11
【图文】：

光纤通信网络,历史过程

华中科技大学博士学位论文过单个信道传输多路信号的技术方案，使得光纤通信网络的系统容量出现突飞的提升[16-17]。第三个阶段从 1996 年开始一直延续到 2012 年，基于信号处理的光通信技术被引入，通信网络的谱效率得到大幅度的提高，光通信网络的容量继续提升[18]，单根光纤 Tb/s 级光网络不断被实现[19-20]，其中甚至有一些结果可得单根光纤实现 100Tb/s 的容量[21]，这种技术下非线性香农极限对系统容量产限制效应。更为重要的是在这个阶段的末期自然杂志刊登了一篇文章[22]指0Tb/s 的容量是目前标准单模光纤传输容量的关键门槛[23-24]。第四个阶段是 2后直到今天，单根传统单模光纤的容量接近极限，多个光波的模式和空分复用[25-26]和各种光子集成技术[27-33]开始被引入光纤通信网络中，光通信系统容量进提升。其中具有标志意义的是几个可以实现 Pb/s 量级的实验结果。

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图 1-2 硅基光子工艺平台所需要的各种部件和支撑平台[97]硅光子技术经过多年的学术研究，如今已经得到了全球商业界广泛的关注和不断有成功的商业化产品和公司脱颖而出，短时间内获得成功。图 1-3 展示了硅市场未来的市场和产品占比预测。其数据表明未来硅光子在商业化的道路上大有前景广阔。售额销(ilioMn)$

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