硅基集成光分插复用器和狭缝波导

发布时间：2020-09-01 12:49

　　 硅光子集成器件由于能够采用CMOS标准工艺进行大规模制造而备受学术界和产业界的关注。硅光子集成器件的一个重要应用就是应用于高性能处理器的片上光互连。相比于传统的电互连技术,将光作为信号传输的载体具有高数据传输速率、高带宽、低能耗、抗电磁干扰、低相邻信号串扰、无需阻抗匹配等优点。在芯片上的高速波分复用传输链路中,集成型光分插复用器是实现波分复用信道路由的关键器件。本文针对如何增加集成型光分插复用器的信道数目和提高光路由切换速度开展了实验工作。硅光子集成器件另一个研究热点是片上实验室(Lab on a chip),可以将生物成像、标记、传感,医学的定位和表达等生化功能集成在芯片上,可有效地减少合成和分析样品的时间,更好的控制分子浓度和相互反应,以及减小试剂用量及化学废料。片上实验的工作波段为可见光,一种可能的解决方案是采用硅衬底上制备的氮化镓(GaN)材料来同时实现光源和波导,既利用了氮化硅光源发光效率高的特点,还可以使器件尺寸更加紧凑,并且波导的对准将更加精准。为了克服氮化镓在可见光波段的材料吸收,借鉴我们之前提出的利用狭缝型波导实现全硅光子集成回路的思路,本论文对低损耗的GaN狭缝波导进行仿真优化。具体的工作成果和内容包括:1、委托代工厂利用CMOS兼容的工艺制备了8路热调OADM芯片,搭建了新的光纤-波导耦合测试平台并对芯片进行了测试。测试结果表明,平均通带带宽为0.36 nm,平均下载损耗为2.6 dB,上传损耗为2.2 dB,平均通带形状系数为0.3,相邻同奇偶信道间串扰约为-20 dB。2、对4路电调光分插复用器进行了制备和测试。实现了信道的下载功能,下载损耗为8dB,3-d B带宽为0.1 nm,电注入调控效率为0.22 nm/mA;同时分析了电调光分插复用器性能受影响的原因,并给出了具体解释和提出了解决方法。3、针对工作波长为400~800 nm的GaN狭缝波导进行了优化设计和仿真计算。当仅考虑由材料吸收引起的传输损耗时,优化后的GaN狭缝波导的传输损耗为0.4-1.0 dB/cm;进一步考虑由侧壁粗糙引起的散射损耗后,当粗糙度标准差为1 nm时,总损耗约为1-2.5 dB/cm。这些结果表明GaN波导非常有潜力作为可见光波段的传输线,并应用于片上实验室系统中。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN25

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本文编号：2809756