高速硅基電光調(diào)制器的研究

1、密級(jí):中國(guó)科學(xué)院大學(xué) University of Chinese Academy of Sciences 博士學(xué)位論文2014年惦月1Illl I Illl Illll I Illl I I Y2615385ByXu HaoA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of Engineering in Physical ElectronicsInstitute of

2、Semiconductors,Chinese Academy of SciencesMay,2014關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)聲明任何收存和保管本論文各種版本的單位和個(gè)人,未經(jīng)著作權(quán)人授權(quán),不得 將本論文轉(zhuǎn)借他人并復(fù)印、抄錄、拍照、或以任何方式傳播。否則,引起有礙 著作權(quán)人著作權(quán)益之問(wèn)題,將可能承擔(dān)法律責(zé)任。關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所有權(quán)保留學(xué)位論文的副本,允許該論文被查閱;中國(guó)科學(xué) 院半導(dǎo)體所可以公布該論文的全部或部分內(nèi)容,可以采用影印、縮印或其他復(fù) 制手段保存該論文。(涉密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名:綠扮翩簽

3、名:鋪夠日期:如-啤6,同;目關(guān)于學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工 作所取得的成果。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本學(xué)位論文的研 究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢 獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。簽名:涼治 翩簽名:勻玄綏日期沙僻6囤;國(guó)摘要摘要當(dāng)今社會(huì)正處在高速信息化的時(shí)代浪潮中,以“云計(jì)算”、“物聯(lián)網(wǎng)”和“大數(shù)據(jù)” 為代表的新型信息化技術(shù)的出現(xiàn),使人們對(duì)于高速率,低成本,低功耗的數(shù)據(jù)處理與 傳輸技術(shù)有著更為迫切的需求和期待。正是在這樣-fo社會(huì)需求的強(qiáng)力推動(dòng)下,硅基 光子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,

4、希望借助成熟的微電子制造工藝,以光作為信息的載體,實(shí)現(xiàn)在硅 基芯片上,或者芯片與芯片之間數(shù)據(jù)的高速處理和傳輸。高速硅基電光調(diào)制器承擔(dān)著將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的職能,其調(diào)制速率直接影響 著光傳輸系統(tǒng)的信息處理能力。本論文對(duì)高速硅基電光調(diào)制器進(jìn)行了深入的理論分析 和全面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,全文圍繞著高速硅基電光調(diào)制器的工作原理、電路模型和頻率響 應(yīng)特性,結(jié)合微波電路理論、光波導(dǎo)理論、信號(hào)完整性分析理論、半導(dǎo)體物理及制作 工藝四個(gè)方面的內(nèi)容,給出了器件準(zhǔn)確和高效的設(shè)計(jì)分析方法。并且,結(jié)合光電子器 件的片上測(cè)量技術(shù),全面的測(cè)試了高速硅基電光調(diào)制器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、大信號(hào)和小信 號(hào)特性,不僅充分證明了所提出設(shè)計(jì)分析方

5、法的有效性,也驗(yàn)證了所制作出高速硅基 電光調(diào)制器的優(yōu)良性能。本論文首次制作并實(shí)現(xiàn)了基于交指型PN結(jié)的MZI型硅基電光調(diào)制器,在采用較 低PN結(jié)摻雜濃度(2×1017cm。3的情況下,實(shí)現(xiàn)了高的調(diào)制效率。將器件特征參數(shù)FOM (V。k和摻雜引入單位長(zhǎng)度光學(xué)損耗的乘積降低到1520dBV,實(shí)現(xiàn)了硅基電光調(diào) 制器調(diào)制效率和光學(xué)損耗的平衡,并首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)40Gbit/s的高速硅基電 光調(diào)制。同時(shí),建立起了一種載流子耗盡型硅基MZI調(diào)制器的分布式電路模型,定 量的給出了器件結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性和器件傳輸線參數(shù)之問(wèn)的關(guān)系。并且首次通過(guò)芯 片片上測(cè)量技術(shù),準(zhǔn)確測(cè)試了硅基電光調(diào)制的傳輸線參數(shù),

6、驗(yàn)證了電路模型的有效性。 以此為基礎(chǔ),本論文提出并驗(yàn)證了一種新的計(jì)算載流子耗盡型硅基MZI調(diào)制器頻率 響應(yīng)特性的方法,首次將PN結(jié)結(jié)電容和接觸電阻的RC效應(yīng)納入到計(jì)算方法中,并 結(jié)合信號(hào)完整性分析的一般方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速調(diào)制輸出光信號(hào)的仿真,達(dá)到了根據(jù) 器件最基本結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)調(diào)制器高速調(diào)制性能的目的。最后,本論文提出了高速硅基 電光調(diào)制器帶寬均衡的設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)方法,深入分析了硅基電光調(diào)制器輸入阻抗和 器件高速特性之間的關(guān)系,詳細(xì)仿真了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件性能帶來(lái)的影響,成功解 I摘要關(guān)鍵詞:光互連,硅基光子學(xué),絕緣體上的硅,馬赫曾德干涉儀,硅基電光調(diào)制器, 分布式電路模型,COMS工藝,片上測(cè)

7、量技術(shù)英文摘要AbstractWith theemerging of novel information technology like“Cloud computing”,“Internet of Things”andBig data”,the information revolution is changing our word.To keep pace with the demands for the highspeed,lowcost and lowpower data processing and interconnects,the silicon photonics have bee

8、n proposed and exhibited dramatic performance improvements in recent years.By employing CMOS silicon manufacturing techniques,the silicon photonics aim to create a lowcost and highly integrated optical interconnects system operating at an ultrahi曲speed.Silicon electrooptic modulator is a critical co

9、mponent for encoding light by either intensity or phase modulation.Highspeed electrooptic modulation helps to improving the channel capability of the integrated optical system,In this dissertation,we introduce our research on hi曲-speed silicon electrooptic modulator with both theoretical analyses an

10、d experimental demonstration.The dissertation concentrates on the silicon modulatorS operating theory,circuit model and frequency response,and proposed an accurateand effective design processes,which refers to these theories of microwave,optical waveguide, signal integrity and semiconductor manufact

11、uring techniques.Using on-wafer testing methods,the proposed devices are measured comprehensively,which not only verify the proposed analysis method,but also demonstrated excellent performances of the devices. In this dissertation,we first proposed a highspeed silicon modulator based on interleaved

12、PN junction.High modulation efficiency was achieved with a relatively low doping concentration(2×1017cm。3.The figure.of-merit(FOMLossEfficiency of the device was reduced to 15-20dBV An equivalent circuit model based on the deviceS structure dimensions and material parameters is proposed to char

13、acterize the hi:gh speed performance of the silicon depletionmode modulator,and it is verified by onwafer deembedding techniques.A novel method to calculate the frequency response was proposed for the silicon modulator,which takes the RC effect of the PN junction in account for the first time,It can

14、 be utilized to simulate the modulated optical signal lll英文摘要combining with a spectrum analysismethod.With a band equalization design,a broadband silicon depletionmode MZM is demonstrated and characterized.The relationship between theinput impedance andhighspeed performances of the silicon modulator

15、 was simulated andanalysized.To achieve broad bandwidth with a low bias voltage,a steady escalation of the input impedance was designed for fiat E/O modulation responses of the MZM over a broadfrequency range.The 3一dB E/O bandwidth of theproposed siliconMZM isas high as 55GHzat3V bias.An open eye di

16、agram at 70Gbit/s has been recorded with a low bias voltage of only-1.5V which is the fastest silicon electrooptic modulation demonstrated by nowKey words:Optical interconnectes,Silicon photonics,SilicononInsulator(SOI, Mach-Zehnder interferometer(MZI,Silicon electrooptic modulatorDistributed circui

17、t model,COMS manufacturing techniques,Onwafer testingIV目錄目錄§3.4硅基電光調(diào)制器的電學(xué)結(jié)構(gòu).一48一 V錄目錄攻讀博士學(xué)位期間獲得的獎(jiǎng)勵(lì)X 致謝.xIVIl第一章緒論第一章緒論§1.1引言自古以來(lái),人類就學(xué)會(huì)TN用光作為載體進(jìn)行信息傳遞?！暗歉咄榛?誰(shuí)謂塞 塵飛”,唐代詩(shī)人韓愈在其烽火一詩(shī)中就展現(xiàn)了古人用千里之外的烽火狼煙傳遞 戰(zhàn)爭(zhēng)信息的畫面。這種借助“光”的通訊手段極大地提高了信息傳遞的速度,節(jié)省了 獲取信息所需付出的時(shí)間成本和勞動(dòng)成本。從物理本質(zhì)上來(lái)看,選擇以光波作為載體 進(jìn)行信息的傳遞具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)1】:

18、1.傳輸信息的速度快。光子不具有靜質(zhì)量,既可以在真空中傳播,也可以在介質(zhì)中傳播,并且無(wú)論是在 光介質(zhì)中還是在真空中,光信號(hào)都以該介質(zhì)中的光速傳播,與接收信號(hào)的元件數(shù)量無(wú) 關(guān),傳輸信息的速度快。2.光傳輸頻率高。光波作為電磁波中的一個(gè)波段,主要是指紅外,可見光和紫外三個(gè)波段,可以在 非導(dǎo)電介質(zhì)中利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互交換來(lái)實(shí)現(xiàn)傳播。如圖11所示,其頻率高達(dá)太 赫茲以上。相比于電學(xué)的射頻微波信號(hào),光波具有波長(zhǎng)短頻率高的特點(diǎn)。因而,在用 光的強(qiáng)度調(diào)制作為信號(hào)傳輸時(shí),信號(hào)頻率理論上可以達(dá)到太赫茲。并且,由于光波頻 率遠(yuǎn)大于它所攜帶的信號(hào)頻率,信號(hào)頻率的變化不會(huì)對(duì)光傳輸本身產(chǎn)生影響,所以在 光學(xué)傳輸通道的

19、設(shè)計(jì)上,對(duì)于諸如阻抗匹配、信號(hào)畸變等問(wèn)題,無(wú)需考慮信號(hào)頻率變 化帶來(lái)的影響。3.光學(xué)固有的并行性。光子不像電子那樣帶有電荷,電子之間通過(guò)電磁場(chǎng)相互作用,導(dǎo)致電信號(hào)很容易 相互干擾以及受到外部的影響,特別是當(dāng)頻率較高時(shí),這種影響變得尤為明顯。光子 之間很難相互作用,這種固有的并行性可以極大地提高信息通道的密度和系統(tǒng)的規(guī)模。 4.光傳輸?shù)亩嗑S多重復(fù)用性。光波作為載體,可進(jìn)行多維多重復(fù)用,例如波長(zhǎng)復(fù)用,偏振復(fù)用,相位復(fù)用,頻镕浩商畦摹電光月制器的研究率復(fù)用。這些復(fù)用方式.可以有效地解決信息傳輸通道數(shù)量的物理限制,實(shí)現(xiàn)單通道 的多維多重復(fù)用,達(dá)到單路通道“多路等效”的目的,提高通道的利用效率。凄段無(wú)瘦

20、電泣 征武 虹外殘 可見光 紫外踐 x射踐 卻馬射鰒波長(zhǎng)tg.1loa 1一 Io"55xlolo 8io-10t口”時(shí)。Q/、/、/、八/川JlL缸秣螽孫強(qiáng) 建筑 人_墊 蜜蜂 走頭針原生動(dòng)抽 分子 詰 9原子 康干括穩(wěn),。產(chǎn)。.:.。去崎! Hl 11b姚t戊的.卅當(dāng)今世界,自1966年華裔科學(xué)家高琨和Hockham提出光導(dǎo)纖維的概念口I,預(yù)言 介質(zhì)波導(dǎo)將降低光傳輸損耗,可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光通信以后,歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā) 展,以光纖通信為代表的光通訊方式已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的支柱,深刻的改變了人 類社會(huì)的發(fā)展歷史,縮短了人與人之間的距離。光纖通信,即以光波作為信息載體, 以光纖作為

21、傳輸媒介的通信方式,相比于傳統(tǒng)的電纜通信技術(shù),主要具有以下特點(diǎn)i”: l通信容量大,單路光纖的潛在帶寬高達(dá)20THz:2傳輸距離遠(yuǎn),在155岬光波氏附近,石英光纖損耗可低于O 2dB/km,中繼距 離達(dá)80km;3信號(hào)串?dāng)_小,多路光信號(hào)可交叉無(wú)干擾傳輸,日小易受外界電磁干擾;4復(fù)用能力強(qiáng),波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等技術(shù)已得§成熟的應(yīng)用。5光纜輕便,抗腐蝕。原材料便宜,性價(jià)比高,節(jié)約有色金屬資源。目前,光纖通信在長(zhǎng)距離互連技術(shù)中占絕對(duì)主導(dǎo)地位,并正逐步應(yīng)用于局域嗍。 從跨越洲際的海底光纜,到“光纖到戶”目標(biāo)的提出,光纖通信技術(shù)越來(lái)越廣泛的造 福于人類的生活。如圖I-2所示,一個(gè)光纖通信系統(tǒng)主

22、要包括了以下幾個(gè)部分吐 l 光發(fā)信機(jī):光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器 .2.第章緒論組成。其功能是將用電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制,再將調(diào)制后的光信號(hào)耦合到 光纖中進(jìn)行傳輸。2.光收信機(jī):光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組 成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào),經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。然后,再將 這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平,送到接收端。3.光纖或光纜:光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào) 光信號(hào),經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后,耦合到收信端的光檢測(cè)器上去,完成傳送 信息任務(wù)。4.光中繼器:中繼器由光檢測(cè)器、光

23、源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè): 個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減;另一個(gè)是對(duì)波形失真的光脈沖進(jìn)行整 形。5.光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件:由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和 光纜施工條件的限制。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是,光 纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合,對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用 是必不可少的。光纜 光中繼器 光纜圖1.2光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖20世紀(jì)60年代以來(lái),以集成電路為代表的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起是人類社會(huì)發(fā)展歷 史中另一件具有劃時(shí)代意義的標(biāo)志性事件。集成電路(Integrated Circuit,IC是指把 一個(gè)電路中所需的獨(dú)立元器

24、件及布線互連在一起,制作在同一塊基片上,封裝完成具 有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗械脑急患傻絺€(gè)芯片上,自從集成電路 問(wèn)世以來(lái),它就發(fā)展成為提高電路性能,降低電路成本的有效方法。集成電路一直向 -3-馀聃高述纂電兜*制的"究著更高集成度和更高性能的方向不斷發(fā)展。1947年,世界上第一個(gè)晶體管在貝爾實(shí) 驗(yàn)室問(wèn)世。1958年出現(xiàn)了第一塊集成電路,在鍺材料上集成了數(shù)個(gè)元器件,形成了 具有特定功能的芯片;1971年,英特爾推出了以一款商用微處理器4004,集成了2300個(gè)晶體管。2012年,英特爾推出的第三代酷睿i7四核芯片集成有14.8億個(gè)晶體管. 其面積僅有160mm2。(a19

25、58年,世界上第一塊集成電路一 (b 1971年,世界上第 一塊商用微處理 器;英特爾4004圖1-3集成電路的發(fā)展 (c 2012年,采用 22nm cMos￥0造技 術(shù)的集成電路集成電路的發(fā)展是以CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor工藝為 基礎(chǔ)的.并且一直遵循若著名的摩爾定鑰,(4I:“集成電路芯片上的晶體管數(shù)量每十八 個(gè)月增加一倍,性能I!王將提升一倍”。隨著CMOS工藝特征尺寸的小斷縮小,集成電 路已經(jīng)從最初的小規(guī)模集成電路(SSI開始,先后經(jīng)歷了中規(guī)模(MSI、大規(guī)模(LSI、 超大規(guī)模(VLSI、巨大規(guī)模(ULSI,發(fā)展到目前的特大規(guī)模

26、集成電路(GSI和系 統(tǒng):卷片(SOC。目前,世界上最先進(jìn)的CMOS工藝的特征尺寸是22納米,國(guó)際半 導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS 2013預(yù)測(cè)吼到2017年,CMOS工藝的的特征尺寸將減小 到10nm以下。表I-I英特爾研發(fā)CMOS工藝的特征尺寸時(shí)間2晉鏟J 2叩掌|2叩掌2008年l 2012年l 預(yù)計(jì) 12月 32nm 5月 2014年底 22nm 14hill 特征尺寸l 90Ilia l 65nm 45nm然而,芯片集成度的提高需要解決功耗和成本問(wèn)題.僅僅提高單核芯片的速度和 .4.第章緒論集成度會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量且無(wú)法帶來(lái)相應(yīng)的性能改善。同時(shí).由于受到諸如量子效應(yīng), 光刻技術(shù)的影響,CMO

27、S工藝的特征尺寸不可能無(wú)限減小,:占片集成度的提高也將遭 遇瓶頸,集成電路性能的提升將會(huì)受到嚴(yán)重制約。面對(duì)這一狀況,英特爾率先推出了 多核處理器,利用多個(gè)核心的并行工作來(lái)提升集成電路的性能,并被證明是一種有效 手段。隨著集成電路由單核單線程向著多核多線程的演變,核與核之間的互連性能及 效率將成為決定集成電路性能的一個(gè)重要因素。日前芯片巾仍然采用基于銅導(dǎo)線,多 晶硅的互連技術(shù),由于電互連在傳輸延遲、傳輸帶寬和傳輸功耗等方面的限制,成為 制約集成電路發(fā)展的瓶頸n光互連在遠(yuǎn)距離通信中所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)也吸引了微電了領(lǐng)域研究人員的灃意。美 國(guó)斯坦福大學(xué)Goodman教授于1984年首先提出了在超大規(guī)模集成

28、電路巾使用光互連 的設(shè)想【”,利用光波以及光學(xué)材科特性來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號(hào)的傳輸與交換。干H比于電互 連,光互連在傳輸延時(shí)、帶寬和功耗上具有顯著優(yōu)勢(shì)18一I:l互連延時(shí):電互連中,金屬導(dǎo)線的RC常數(shù)不會(huì)隨尺寸等比例縮小,通常解決 KC延時(shí)的辦法是增加中繼器的數(shù)量,使延時(shí)時(shí)間同傳輸距離成近似線性關(guān)系,當(dāng)前 金屬互連線的時(shí)間延時(shí)已經(jīng)超過(guò)晶體管的門延時(shí)。而在光互連中,由于光信號(hào)的傳輸 延時(shí)主要取決光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)速度。滲<圭;疹眵<蘭l西14on chIo一三nI囂一、=一1回_L(b'圖l一4光互連和電互連的結(jié)構(gòu)示意圖2互連帶寬:芯片中電互連的傳輸帶寬滿足如武1.1所示關(guān)系,其物

29、理極限主 要取決于電信號(hào)問(wèn)的串?dāng)_。m#商矬R電m月制的研究B坑魯(biffs(1-1 其中一為互連線的截面積,己為互連線長(zhǎng),島為特征常數(shù).為了確保傳輸線在存 在20dB的損耗下仍可識(shí)別,B。通常取10”bit/s。通過(guò)優(yōu)化互連布局在一定程度上 可以提升互連帶寬.但是隨著傳輸距離的增加,電互連帶寬會(huì)顯著降低。而光互連巾, 不僅多路光信號(hào)可以彼此無(wú)串?dāng)_的獨(dú)立傳播,復(fù)用能力多樣。在互連帶寬這一特性上, 光互連有明顯優(yōu)勢(shì)。3互連功耗:式(12和(1-3中丘和昂分別代表電互連和光互連中的功耗水平:丘c咋 (1-2 丘ql墮0-3 P其r1.咋是所傳輸電信號(hào)的幅值,o和。分別表示互連金屬連線和光互連線巾

30、的等效電容,柏,是一個(gè)光了能量,e為單位電荷量。在電互連巾,導(dǎo)線的電容可以 被估算為2pfJcm,由式1.2可知,電互連功耗會(huì)隨著傳輸距離的增加而增加,只能 通過(guò)降低信號(hào)電壓的方式降低功耗。光互連系統(tǒng)中,其等效電容主要由探測(cè)器、調(diào)制 器等器件的寄生電容有關(guān),和互連距離沒(méi)有關(guān)系。Continentto continellt Racklo rack Chipto chip Oil chip10.000km 100m l m l mm互連距離圖1-5從洲際海底光纜到片上光互連正是由于具備以上優(yōu)勢(shì),光互連技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大規(guī)模計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 在我國(guó)自主研發(fā)的天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)中,其中用于光互連的

31、光纖線纜總長(zhǎng)度超過(guò)了 -6-第一章緒論200公里。隨著近年來(lái)光電子集成技術(shù)的不斷發(fā)展,用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部電路板之間、芯 片之間乃至芯片內(nèi)部的光互連模型和概念產(chǎn)品相繼問(wèn)世,如圖15所示,光互連的應(yīng) 用領(lǐng)域已近從遠(yuǎn)距離光纖通信不斷的向著短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蜓由?成為一個(gè)大的 發(fā)展趨勢(shì)。§1.2硅基光子學(xué)2.兼容光通信波段。硅材料的禁帶寬度為1.12eV,在1310nin和1550nin兩 個(gè)光纖通信波段,硅材料對(duì)光的吸收損耗幾乎可以忽略。因此,具備有兼容光纖通信 系統(tǒng)中各種光器件的能力,如光源、光放大器、探測(cè)器等。像浩高近硅蘋mm月制镕的究3同現(xiàn)有的CMOS工藝兼容?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有成熟的微

32、電子制作工藝,在提 高精度,可靠降和降低制作成本的同時(shí),還易與同微電予器件實(shí)現(xiàn)單片集成,為最終 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電混合集成提供了可能。如圖l-6所示,硅基光子學(xué)是半導(dǎo)體光電子學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合.是光通訊技術(shù) 從遠(yuǎn)距離光纖通信向近距離光傳輸?shù)臄U(kuò)展。圖1-6硅光子學(xué)和半導(dǎo)體光電于學(xué)、微電子學(xué)及光通訊技術(shù)的戈系§1.3硅基光子學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀圖12和圖l-7分給出了光纖通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和單纖單向波分復(fù)用傳輸系統(tǒng) (WDM的構(gòu)架?？梢钥闯?一個(gè)光傳輸系統(tǒng)主要由光發(fā)射、光調(diào)制、光傳輸和光 接收這四個(gè)模塊構(gòu)成.以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的產(chǎn)生、處理、傳輸和探測(cè)的功能。將光纖通信 技術(shù)應(yīng)用于短距離光傳輸時(shí),硅基光互連系

33、統(tǒng)同樣主要由激光器、調(diào)制器、光波導(dǎo)、 探測(cè)器、復(fù)用,解復(fù)用器等構(gòu)成。第章緒論驅(qū)動(dòng)信號(hào)巍光器 調(diào)黼器 揮測(cè)器圈1.7單纖單向WDM傳輸構(gòu)架近年來(lái).越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)入到硅基光予學(xué)這個(gè)領(lǐng)域,在硅基光源, 硅基波導(dǎo)器件.以及硅基集成等方面都取得了顯著的成果。特別是硅基有源光纜產(chǎn)品 的出現(xiàn),證明硅基光子學(xué)的實(shí)用化進(jìn)程正在穩(wěn)步快速向前,也代表了當(dāng)今硅基光子學(xué) 研究的最高水平,下面將介紹硅基光子學(xué)在這幾個(gè)方面取得的晟新進(jìn)展。1硅基光源光源是實(shí)現(xiàn)硅基光電了集成的重要組成部分,然而,山于硅材料能帶帶隙的間接 特性以及晶格中心的反演對(duì)稱特性.無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的硅基發(fā)光器件。雖然如此,研究 人員依然通過(guò)各種方

34、法來(lái)實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光,并取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。具有代表性的主要有:利用Raman效應(yīng)的硅基Raman激光器,通過(guò)應(yīng)力調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)的Ge/Si量子阱激 光器,在室溫下實(shí)現(xiàn)了光采浦和電泵浦發(fā)光¨:I,以及通過(guò)鍵合工藝實(shí)現(xiàn)的硅基IIIv 族激光器l”。目前,性能攝為穩(wěn)定的是硅基鍵臺(tái)IfI.V族激光器。這種制作工藝巧 妙的避開了材料本身的物理限制,易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)和同其他硅基光電子器件集成 匿了丑羽已二鞲 苫;_;_一 圉璺卜盥J I-8硅基鍵臺(tái)111.V族激光器:(吣采川BCB鍵臺(tái).(bYdH Si02鍵O徐浩高速硅基電光調(diào)制器的研究如圖1.8所示,分別為比利時(shí)根特大學(xué)采用BCB為中間層,以及美

35、國(guó)加州大學(xué) 圣巴巴拉分校采用Si02作為中間層鍵合制作而成的硅基激光器。后一種方式,已被 英特爾公司成功的應(yīng)用到硅基光電子芯片上。首先,在硅片或SOl片上熱氧化生成 Si02,然后在IIIV族半導(dǎo)體材料上用低溫PECVD(260。C方法沉積一層Si02,將兩 層Si02進(jìn)行低溫鍵合,鍵合層的厚度最小只有50ilrll。這種方法制作的硅基激光器輸 出功率高,波長(zhǎng)可以根據(jù)材料來(lái)選擇,能在室溫下連續(xù)工作,兼有III.V族激光器的 所有優(yōu)點(diǎn)。2.硅基波導(dǎo)器件硅基波導(dǎo)器件是硅基光子學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域,由于硅材料上能夠形成具備良 好光學(xué)限制能力的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),借助于成熟的CMOS工藝制作技術(shù),研究人員在硅基

36、 平臺(tái)上制作出獨(dú)具特色的硅基波導(dǎo)器件。功能豐富,性能優(yōu)良的硅基波導(dǎo)器件,是最 能體現(xiàn)硅基光子學(xué)特色和優(yōu)勢(shì)一個(gè)研究領(lǐng)域。同光纖通信結(jié)構(gòu)類似,硅基光_了學(xué)的基本構(gòu)架也主要包括光的發(fā)射,傳輸,調(diào)制, 探測(cè)這四個(gè)方向。但是,為了充分發(fā)揮光作為信息載體的優(yōu)勢(shì),需要有具備不同功能 的光學(xué)器件對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)諸如光的耦合,分束,交叉,諧振,隔離,偏正 轉(zhuǎn)換等特定目標(biāo)。同時(shí),借助硅材料的各種光學(xué)特性(諸如熱光效應(yīng),等離子體色散 效應(yīng),并將獨(dú)立的光學(xué)器件組合起了,可以實(shí)現(xiàn)功能更為復(fù)雜多樣的光學(xué)陣列和模 塊,例如光學(xué)路由,光開關(guān)陣列,多路光學(xué)復(fù)用和調(diào)制等等,是最終實(shí)現(xiàn)硅基光電子 集成的基礎(chǔ)。由于,硅基波導(dǎo)器

37、件的研究進(jìn)展十分迅速,下面將介紹本課題組在近年來(lái)所取得 的一些研究成果,可以分為無(wú)源和有源光波導(dǎo)器件兩個(gè)大類:(1.無(wú)源光波導(dǎo)器件主 要包括光柵耦合器、絕熱分束器、交叉波導(dǎo)和多路光分柬器。(2有源硅基光波導(dǎo)器 件主要包括光路由器、光開關(guān)單元及陣列、可重構(gòu)解復(fù)用器和多路微環(huán)光調(diào)制器 (a光柵耦合器115】。由于光纖和硅基光波導(dǎo)之間的模場(chǎng)和模式失配,硅波導(dǎo)與光纖之間存在著光信號(hào) 的交換和耦合問(wèn)題。如何將光高效的耦合進(jìn)/出芯片是研究的一個(gè)難題。與其他的耦 合方式相比,光柵耦合器由于對(duì)準(zhǔn)容差大、制作工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需劃片拋光、易于封裝,第章緒論能夠在晶圓上實(shí)時(shí)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),具有突出的應(yīng)用前景。如型卜9(a所

38、示,課題組張燦 等人采用了非均勻結(jié)構(gòu)光柵來(lái)破壞光柵耦臺(tái)器水平方向的對(duì)稱性.并且利用相干增強(qiáng) 和相干相消的方法來(lái)削弱光柵耦合器垂直方向上的對(duì)稱性。一方面大幅度減小了光柵 的反射,另一方面使得出射光場(chǎng)的空間分布更接近于光纖中光場(chǎng)的分布一高斯分布。 通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化光柵的周期、刻蝕深度和占空比等參數(shù).摸索工藝制作條件,通過(guò)僅僅 一次刻蝕,制作得到了耦合效率超過(guò)7850/,的光柵耦合器,光學(xué)3dB帶寬約為50nm。 絕熱分束器【】q。光的等比例分束是諸多光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的光分束器有定向耦臺(tái) 器,多模干涉耦合儀等存在著具有波長(zhǎng)選擇性,工藝容差小等問(wèn)題。如圖l一9(”所示, 課題組邢界江等人采用

39、絕熱耦合的方式,在波導(dǎo)中讓光場(chǎng)同步實(shí)現(xiàn)耦合和折射率的漸 變,實(shí)現(xiàn)了均勻,低插損且波眭不明感的等比例光分束。在1500nm1600iim廣闊 的波長(zhǎng)范圍內(nèi),分束光強(qiáng)之間的差異小于0.2dB,器件引入的光學(xué)差損儀為O 3dB。 雨廣圖1-9光源硅基光波導(dǎo)器件:(a非均勻光柵禍合器,(時(shí)絕熱分束器.(c交義波導(dǎo)-(d倒錐型多 路光分束器(c交叉波導(dǎo)。交叉波導(dǎo)是制作大規(guī)模光學(xué)陣列的基礎(chǔ)元件,可以有效的減小波導(dǎo)長(zhǎng)度,;暈低波馀沽高硅革自m月制%的研究導(dǎo)損耗,減小器件尺寸和簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮了光作為信息載體具備有可并行性 的特點(diǎn)。如圖1-9(c所示.課題組李顯堯等人分析了多模波導(dǎo)巾不同模式問(wèn)功率比對(duì)

40、交叉波導(dǎo)損耗及串?dāng)_特性的影響,通過(guò)合理選擇和設(shè)計(jì)多模干涉儀及漸變波導(dǎo)的尺q 在僅采用一次刻蝕的工藝條件下.實(shí)現(xiàn)了高性能的波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)。在15201580nm 寬波長(zhǎng)范圍內(nèi),單個(gè)交叉波導(dǎo)的傳輸損耗僅有01dB,兩個(gè)波導(dǎo)之間的串?dāng)_小于.40 dB,器件綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。(d例錐型多路光分束器。除此之外.我們課題組還廣泛研究了基于級(jí)鞋微環(huán)結(jié)構(gòu)的光學(xué)濾波器,模式復(fù) 用器和解復(fù)用器ZOl o這一系列功能多樣,性能優(yōu)良的硅基無(wú)源光波導(dǎo)器件的成功研制, 為我們進(jìn)一步研究有源硅基波導(dǎo)器件,以及大規(guī)模光學(xué)陣列提供了必要的基礎(chǔ)。如圖 1一10(a(d所示,為我們課題組研制出的一系列高性能的有源硅基光波導(dǎo)器

41、件,包 括光路由器、光開關(guān)單元及陣列122l、可重構(gòu)解復(fù)用器123】和多路微環(huán)光調(diào)制器l”蝽。I雨ll營(yíng)營(yíng)l 赫孺鋱 鏘I群一黼淞圈lIO有潭硅基光波導(dǎo)器什:(a光路由器,(b光開莢單元及陣列,(c可重拘解復(fù)川器,(d多 路微環(huán)光調(diào)制器,12章緒論3硅基光電子集成2013年9月,英特爾聯(lián)合康寧公司共同發(fā)布了將新一代的硅光予技術(shù)產(chǎn)品: MXC線纜,如圖卜11所示,MXC單根線纜由雙向64路有源光纜組成,單根光 纜可實(shí)現(xiàn)25Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸,也就是就是說(shuō),MXC單根線纜單向可提供 800Gbps,雙向最高1.6Tops的帶寬。不僅如此,相比銅纜的最高傳輸距離只能達(dá)到 100米,MXC最高

42、可達(dá)300米。硅基光互連技術(shù)表現(xiàn)出的優(yōu)異性能和發(fā)展?jié)摿?也 得到了包括索尼、蘋果公刮在內(nèi)的眾多數(shù)碼產(chǎn)品制造商的支持,硅基光互連技術(shù)已經(jīng) 由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正逐步走向?qū)嵱?。圖1-11(aIntel 50Gbit/s有源光纜。(bIntel和Coming共同推出的MXC線纜。 -i 3-棣浩島建硅蓽電光月制的研究在2007年美國(guó)Luxtera公司報(bào)道了他們的單片集成傳輸速率4×10Gbps,誤碼率 小于10。2的光互連模塊圳。如圖1.12所示。整個(gè)芯片,除光源是通過(guò)光纖外接外, 光波導(dǎo)、光調(diào)制器、光復(fù)用,解復(fù)用器和Ge探測(cè)器全部集成在同一個(gè)SOl片上,并通 過(guò)013um的COMS工藝制作而成。2

43、012年6月,Luxtera又宣布研制出和CMOS工 藝完全兼容,調(diào)制速率高達(dá)30Obit/s的電光調(diào)制器。下一步目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)四通道,傳 輸速率超過(guò)100Gbiffs的光電傳輸模塊。硅基光子學(xué)已經(jīng)不再局限于實(shí)驗(yàn)室的研究, 在同成熟的半導(dǎo)體制造、測(cè)試和封裝技術(shù)的快速融合中,各方面性能不斷提高,工藝 成本逐步降低,正穩(wěn)步走向?qū)嵱没?。圈I-12有源硅些光波導(dǎo)器件:Luxtera光互連模塊與此同時(shí),如圖l-13所示,IBM公刊也提出了實(shí)現(xiàn)基于光互連的硅基電光處理 器芯片SNIPER(Silicon Nanoscale-Integrated Photonics and Electronic transce

44、iver 1計(jì)劃 1271,目標(biāo)在2018實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速率10萬(wàn)億次,秒(10Tflops電光處理器芯片,它不僅 包含有約300個(gè)運(yùn)算單元的處理器層和容量約30GB的電學(xué)存儲(chǔ)層,最重要是包含有 傳輸速率超過(guò)70Tbps光嘲絡(luò)層,小兒是要實(shí)現(xiàn)高帶寬的光學(xué)互連,還能實(shí)現(xiàn)光信弓 的快速路由。如圖1-13(b所示.在東京舉行的Semicon 2010大會(huì)上,IBM第一次展 示了利用CMOS工藝制作的實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)Ic電路集成在一起的光互連芯片。第章紹論ral m、閉l13(aIBM公刮構(gòu)想的電光處理囂。(b制作fH的集成光互連芯片電信設(shè)備制造商阿爾卡特-朗訊公司也投入到硅基光互連的研發(fā)當(dāng)中,只是其思 路是將硅

45、光予技術(shù)莊用到遠(yuǎn)距離光纖通信葉1,降低傳統(tǒng)光通信模塊的面積、功耗以及 制造成本。如圖1.14所示,在2012年的歐洲光通信會(huì)議上12sl,發(fā)布了112GbiVs的 QPSK硅基光調(diào)制模塊。該模塊集成了高速硅基電光調(diào)制器.偏正分柬,臺(tái)柬器,以及 電學(xué)驅(qū)動(dòng)芯片,模塊光學(xué)差損只有約10dB。圖l14阿爾卡特明訊I 12GbiVs的QPSK硅基光調(diào)擊4模塊社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展得益于科學(xué)技術(shù)水平的提高,同時(shí)也小斷的為科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一 步發(fā)展提出了新的方向和要求。在社會(huì)高速信息化的今滅.人們迫切的需要高速率、 低成本和低功耗的信息傳輸方式。自古以來(lái),人們都在利用光作為載體進(jìn)行信息傳遞, 時(shí)至今口.光互連的應(yīng)用領(lǐng)

46、域早已超越了“烽火狼煙”的水平,正逐步的從全球范圍 的光纖通信走向芯片問(wèn),甚至芯片上的數(shù)據(jù)傳輸。借助于成熟的集成電路制造技術(shù), 硅基光子學(xué)孕育而生,經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的發(fā)展,已經(jīng)l:始逐步走出實(shí)驗(yàn)室.在社會(huì)需絳持高迷摹電光月制%的"兜求的強(qiáng)力推動(dòng)下,向著實(shí)用化的方向快速發(fā)展,接受時(shí)代的考驗(yàn)網(wǎng) . 紫.曩遣矽;1湖黔!熱÷瓣;暴茹。瓣撩蒸簍。立鍺晶體管. 激光器。 激光囂. 白臼提m。 的概客. 搬址m鞋。 聯(lián)蒼片。圖115從烽火臺(tái)到硅基光互連§1.4本論文的內(nèi)容安排本論文的工作集中在高速硅基電光調(diào)制器的研究。以高速光電子器件的帶寬特性 為切入點(diǎn),結(jié)合微波電路理論、光波

47、導(dǎo)理論、信號(hào)完整性分析理論、半導(dǎo)體物理及制 造技術(shù)四個(gè)方面的內(nèi)容.對(duì)高速硅基電光調(diào)制器進(jìn)行了全面、深入的理論分析和試驗(yàn) 驗(yàn)證,并取得了一系列具有原創(chuàng)性的研究成果。各章的主要內(nèi)容安排如下:第一章:概述了硅基光子學(xué)的發(fā)展背景,綜述了硅基光互連研究和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā) 展現(xiàn)狀,著重介紹了本課題組在硅基光波導(dǎo)器件方向上取得的部分研究成果,以及世 界范圍內(nèi),硅基光電予集成領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài),為全文提供了技術(shù)背景說(shuō)明。第二.章:總結(jié)概述了分析高速光電子器件帶寬特性所需基礎(chǔ)理論。從信號(hào)在時(shí)域 和頻域內(nèi)的關(guān)系出發(fā),總結(jié)了帶寬分析的基本流程,重點(diǎn)介紹了高速光電子器件電路 模型化的分析方法,并詳細(xì)推導(dǎo)了本文會(huì)涉及到的相關(guān)重

48、要結(jié)論。本章內(nèi)容是根據(jù)研 究過(guò)程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成,為全文提供了必要的理論知識(shí)基礎(chǔ)。第三章:介紹了應(yīng)用于高速硅基電光調(diào)制器的物理機(jī)制和光學(xué)結(jié)構(gòu),并詳細(xì)分析 了等離子體色散效應(yīng)的原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)分析了交指型PN結(jié)作為調(diào)制結(jié)構(gòu)的特 性,以及以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作的高速微環(huán)調(diào)制器和MZI調(diào)制器。推導(dǎo)了MZI結(jié)構(gòu)輸 出光譜同波導(dǎo)特性之問(wèn)的關(guān)系,并通過(guò)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性。以此第一章緒論為基礎(chǔ),利用對(duì)稱MZI結(jié)構(gòu)成功研制出對(duì)調(diào)制波長(zhǎng)不敏感的高速硅基電光調(diào)制器。 第四章:首先建立起了載流子耗盡型硅基MZI調(diào)制器的分布式等效電路模型, 分析了器件基本結(jié)構(gòu)、材料特性和其傳輸線特征參數(shù)之間的關(guān)系

49、,給出了定量的數(shù)值 計(jì)算公式。然后,結(jié)合器件的傳輸線特征參數(shù)和光學(xué)傳輸特性,分析了器件的帶寬特 性,提出新的計(jì)算高速硅基電光調(diào)制器頻率響應(yīng)特性的方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了 該方法的有效性。并結(jié)合信號(hào)完整性分析的一般方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速調(diào)制輸出光信號(hào) 的仿真。同時(shí),我們首次解釋了高速硅基電光調(diào)制器頻率響應(yīng)曲線中的諧振現(xiàn)象,仿 真分析了該現(xiàn)象對(duì)調(diào)制光信號(hào)完整性的影響,并通過(guò)采用金屬引線橋的方式成功的抑 制了這種諧振現(xiàn)象,并且驗(yàn)證了該方法的有效性和必要性。最后,通過(guò)大信號(hào)眼圖測(cè) 試,以及誤碼率測(cè)試,驗(yàn)證了我們?cè)O(shè)計(jì)器件的高速調(diào)制性能。第五章:提出了高速硅基電光調(diào)制器帶寬均衡的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方法,深入分析

50、 了硅基電光調(diào)制器輸入阻抗和器件高速特性的關(guān)系,詳細(xì)仿真了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件 性能帶來(lái)的影響,成功解決了低偏置電壓和高調(diào)制帶寬之間的矛盾,設(shè)計(jì)并制作出了 低偏置電壓下高帶寬的硅基電光調(diào)制器,并進(jìn)行了全面的測(cè)試、驗(yàn)證和分析。第六章:總結(jié)全文,詳細(xì)說(shuō)明了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1.張以謨,光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù),北京:電子工業(yè)出版社,2006.【41.Moore G E.Cramming more components onto integrated circuits.1965.【6】6余金中,硅基光子學(xué),北京:科學(xué)出版社,2011.【7】.Goodman J W,Leonberger F J,Kung

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