硅基微环谐振腔传输谱特性的集成光子应用研究

发布时间：2017-11-26 18:02

  本文关键词：硅基微环谐振腔传输谱特性的集成光子应用研究

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【摘要】：21世纪是信息时代,物联网、云计算、大数据中心等新兴信息产业技术的发展伴随着的是信息量的爆炸式增长,为了满足日益增长的信息传输量,光信息技术受到越来越多的重视并被广泛应用。作为一种大容量的信息载体,光通信具有带宽大、损耗低、时延低、电磁干扰抗性强等优点。为了突破半导体行业的电互连面临的带宽、延时、功耗等技术瓶颈,充分利用光通信的优点,需要微处理器多核间的高速光互连的实现。因此硅基光子学得到了飞速的发展,如何在硅材料上研制低成本、高密度集成的光子器件及其应用是一项极具重要研究意义与应用价值的课题。微环谐振腔是应用平面光波导作为光的传输介质,用弯曲波导首尾相连构成环形结构的谐振腔,其对不同波长的光会有不同的传输响应。硅基微环结构简单,器件紧凑,制作工艺与CMOS技术兼容,其传输谱具备多种光学特性,可以用来构建多种不同用途的集成光子器件,在硅基集成光子学中有着广泛而且重要的应用前景。本论文以硅基徽环谐振腔为基本单元,分析其传输谱的各项特性,并对利用其各种特性构建的可重构波分复用光链路、带宽可调滤波器以及波长检测系统进行了理论分析和实验验证。其主要创新和特色工作包括：1.理论结合仿真分析了微环谐振腔传输谱的四种特性,滤波特性、可调特性、相干叠加特性和边缘滤波特性,这四种特性都有其特定的应用价值。本论文后续的所有研究都是以此为中心而展开的,是本论文的核心基础。2.应用微环谐振腔传输谱的滤波特性和可调特性,设计基于硅基微环的通道波长可重构的8路波分复用高速光链路,通过对微环谐振波长的热光调谐可实现光链路波分复用通道的低功耗可重构。光链路由1×8的微环调制器和1×8的微环滤波器集成Ge-Si探测器组成,采用国外商用标准CMOS兼容工艺制作。芯片可封装离台测试,所有微环的谐振波长都可通过热光调节实现整个FSR连续可调,热调效率为8mW/nm,测试给出了各通道间热串扰的系数矩阵。根据热调效率和热串扰系数矩阵,可实现对各微环谐振波长的精确调控,基于此实现8通道波分复用的任意通道波长和间隔的低功耗重构。演示了通道间隔50GHz和100GHz以及8个通道平均分布整个微环FSR的通道分布图。测试单通道传输速度可以达到10Gb/s以上,系统总体可以实现100Gb/s数据传输。3.应用微环谐振腔传输谱的相干叠加特性和可调特性等多种特性,提出一种新型的基于多微环组合的硅基集成带宽可调滤波器。由各微环传输谱合成输出的滤波谱通过调节各微环谐振波长间距可以实现大范围带宽可调。对利用微环传输谱特性实现带宽可调的工作原理以及其工作性能与微环传输谱特性的关系进行了仿真分析和详细的阐述。设计并制作了基于四环滤波谱相干叠加的硅基带宽可调滤波器芯片,器件尺寸为1.6mm×0.25mm。测试结果滤波器可实现带宽在0.6～2.8nm(75～350GHz范围内连续可调,中心波长可调范围可覆盖单环10nmFSR,调节效率为0.03nm/mW,器件插损根据所调带宽不同在1.26dB到7.08dB的范围内。4.应用微环谐振腔传输谱的边缘滤波特性,提出基于硅基微环的比率制波长检测系统,可实现片上集成的高分辨率的波长检测。详细分析了波长检测性能与微环滤波器的Q值、微环之间的谐振波长间距等设计参数的关系。测试可得单通道波长检测在0.72nm测量范围下理论极限分辨率0.41pm,实测分辨率为1.5pm,并详细分析了实测中影响波长分辨率的因素。以理论和实验的分析为基础总结出一系列在设计与应用时提高系统性能的经验结论。结合微环传输谱可调特性制作了可调波长检测系统和多通道波长检测系统芯片,可实现多波长检测。在应用微环实现高分辨率检测的基础下,设计并制作了集成EDG和微环的二级检测系统。实现了总测量范围30nm,分辨率1.5pmm的大范围高精度的硅基集成波长检测系统。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN629.1

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