硅基光交换芯片的控制与传输特性研究
发布时间：2021-03-30 06:05
光通信网络离不开光交换技术,目前商用的大规模光交换节点通过“光-电-光”方式实现。然而,随着网络传输数据速率的不断增加,这种交换方式面临着“电子瓶颈”和节点功耗大等问题。采用硅光子芯片技术实现全光交换结构被认为是解决上述问题的一种有效途径。硅光子集成芯片能够减小设备体积,降低功耗;与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容,节约成本。本文研究大规模硅基光交换芯片的设计和模块封装,并完成芯片系统性能测试和相关传输实验。主要工作内容包括以下四个方面:1.对基于马赫-曾德干涉仪（MZI）和微环谐振器的集成光开关单元进行了仿真设计和开关性能测试,每个光开关单元都集成了n-i-n热电阻和p-i-n结,其中MZI开关采用载流子注入原理,开关消光比达21 dB;微环开关采用热光效应,开关消光比达18 dB。在此基础上,对几种典型光交换结构性能进行了比较,最终采用Benes结构完成了光交换芯片模块的设计和封装,电学封装通过金线健合连接到芯片引脚上,光学封装通过光栅阵列实现光信号的耦合。为进一步提高光交换芯片工作的稳定性,设计并制作了温度控制模块,芯片的整体温度波动可控制在±0.03℃以内。2.针对大规...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 硅光子学的市场需求和研究进展
1.3 硅基光开关的研究进展
1.4 本论文的研究内容
第二章 光交换芯片与模块设计
2.1 MZI开关的设计与测试
2.1.1 MMI的设计
2.1.2 MZI调制臂的设计
2.1.3 MZI性能测试
2.2 微环开关的设计与测试
2.2.1 微环开关的设计
2.2.2 微环开关的测试
2.3 光交换芯片结构与封装
2.3.1 光交换芯片结构
2.3.2 芯片的模块化封装
2.3.3 温度控制模块封装
2.4 本章小结
第三章 光交换芯片模块的控制电路开发
3.1 方案设计
3.1.1 需求分析
3.1.2 总体方案设计
3.1.3 控制电路组成
3.2 电路设计及其测试
3.3 控制性能测试
3.4 本章小结
第四章 MZI开关的稳定驱动方案及实验验证
4.1 硅基MZI光开关的控制特性分析
4.2 硅基MZI光开关性能
4.3 同步驱动方案
4.4 本章小结
第五章 光交换集成芯片验证系统与芯片性能测试
5.1 光交换设备的配置算法
5.1.1 环路配置算法
5.1.2 光交换设备故障特性分析
5.1.3 基于光开关性能的改进环路配置算法
5.2 光交换核心节点设备与芯片验证系统
5.2.1 光交换核心节点设备研制
5.2.2 光交换芯片验证系统搭建
5.3 光交换设备性能测试
5.3.1 4 ×4性能测试
5.3.2 16 ×16性能测试
5.3.3 与其他光交换芯片性能的比较
5.4 本章小结
第六章 光交换芯片的传输特性研究
6.1 大容量数据传输试验
6.1.1 光梳光源的产生
6.1.1.1 双微环结构的可控群速度色散
6.1.1.2 增强型单孤子的产生
6.1.2 大容量数据传输实验
6.2 关于大规模光交换矩阵构建的一些考虑
6.2.1 波导中的自由载流子非线性
6.2.1.1 自由载流子非线性理论模型
6.2.1.2 自由载流子非线性
6.2.1.3 电极对非线性的影响
6.2.2 多片级联
6.2.2.1 理论模型
6.2.2.2 实验验证
6.2.2.3 大规模光交换矩阵的构建
6.3 本章小结
第七章 总结展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]16 × 16 silicon Mach–Zehnder interferometer switch actuated with waveguide microheaters[J]. Shuoyi Zhao,Liangjun Lu,Linjie Zhou,Dong Li,Zhanzhi Guo,Jianping Chen. Photonics Research. 2016(05)
[2]Analysis of the thermo-optic effect in lateral-carrier-injection SOI ridge waveguide devices[J]. 赵佳特,赵勇,王皖君,郝寅雷,周强,杨建义,王明华,江晓清. 半导体学报. 2010(06)
本文编号：3109008
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 硅光子学的市场需求和研究进展
1.3 硅基光开关的研究进展
1.4 本论文的研究内容
第二章 光交换芯片与模块设计
2.1 MZI开关的设计与测试
2.1.1 MMI的设计
2.1.2 MZI调制臂的设计
2.1.3 MZI性能测试
2.2 微环开关的设计与测试
2.2.1 微环开关的设计
2.2.2 微环开关的测试
2.3 光交换芯片结构与封装
2.3.1 光交换芯片结构
2.3.2 芯片的模块化封装
2.3.3 温度控制模块封装
2.4 本章小结
第三章 光交换芯片模块的控制电路开发
3.1 方案设计
3.1.1 需求分析
3.1.2 总体方案设计
3.1.3 控制电路组成
3.2 电路设计及其测试
3.3 控制性能测试
3.4 本章小结
第四章 MZI开关的稳定驱动方案及实验验证
4.1 硅基MZI光开关的控制特性分析
4.2 硅基MZI光开关性能
4.3 同步驱动方案
4.4 本章小结
第五章 光交换集成芯片验证系统与芯片性能测试
5.1 光交换设备的配置算法
5.1.1 环路配置算法
5.1.2 光交换设备故障特性分析
5.1.3 基于光开关性能的改进环路配置算法
5.2 光交换核心节点设备与芯片验证系统
5.2.1 光交换核心节点设备研制
5.2.2 光交换芯片验证系统搭建
5.3 光交换设备性能测试
5.3.1 4 ×4性能测试
5.3.2 16 ×16性能测试
5.3.3 与其他光交换芯片性能的比较
5.4 本章小结
第六章 光交换芯片的传输特性研究
6.1 大容量数据传输试验
6.1.1 光梳光源的产生
6.1.1.1 双微环结构的可控群速度色散
6.1.1.2 增强型单孤子的产生
6.1.2 大容量数据传输实验
6.2 关于大规模光交换矩阵构建的一些考虑
6.2.1 波导中的自由载流子非线性
6.2.1.1 自由载流子非线性理论模型
6.2.1.2 自由载流子非线性
6.2.1.3 电极对非线性的影响
6.2.2 多片级联
6.2.2.1 理论模型
6.2.2.2 实验验证
6.2.2.3 大规模光交换矩阵的构建
6.3 本章小结
第七章 总结展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]16 × 16 silicon Mach–Zehnder interferometer switch actuated with waveguide microheaters[J]. Shuoyi Zhao,Liangjun Lu,Linjie Zhou,Dong Li,Zhanzhi Guo,Jianping Chen. Photonics Research. 2016(05)
[2]Analysis of the thermo-optic effect in lateral-carrier-injection SOI ridge waveguide devices[J]. 赵佳特,赵勇,王皖君,郝寅雷,周强,杨建义,王明华,江晓清. 半导体学报. 2010(06)
本文编号：3109008
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3109008.html
