發(fā)布時間：2020-03-23 10:10

【摘要】：隨著科技的迅速發(fā)展,高速光纖通訊系統(tǒng)提出的要求越來越高,但摩爾定律接近其物理極限,基本的電互聯(lián)已不能滿足需求。這種情況下提出了將光和電相結合來獲得更高的帶寬和傳輸速率。同時,硅基技術與傳統(tǒng)的CMOS相兼容,并且具有低成本、高帶寬和小尺寸的優(yōu)勢。將這些優(yōu)勢與現(xiàn)有微電子技術相結合成為了解決瓶頸問題的關鍵,為了延續(xù)摩爾定律,開辟出了新的發(fā)展方向。光纖通信系統(tǒng)主要包含了激光器、調制器、探測器等等關鍵器件。本文主要是研究基于MZI結構的SOI基電光調制器的結構設計和工藝研究。本文對脊形波導結構進行了優(yōu)化設計,確定了單模脊形波導結構尺寸,脊高為150nm,脊寬為350nm~550nm�；诜聪蛐ㄐ尾▽ЫY構的模式變換作用,本文提出了輸入/輸出波導為倒錐型結構的雙層刻蝕的1×2多模干涉器,其中220nm刻蝕的波導寬度為2.9μm,長度為15μm,多模區(qū)的寬度為19.94μm,長度為40.67μm,70nm刻蝕的波導寬度為1.35μm,長度為30μm,多模區(qū)的寬度為5μm,長度為25.4μm,得到的損耗為0.43 dB,雙層刻蝕的MMI分光比為45.9%,單層刻蝕的MMI只能達到39.1%。本文使用Lumerical軟件進行電學結構和光學結構設計,改變脊形波導的寬度、PN結的位置和PN結處摻雜載流子的濃度,利用其對有效折射率的變化產生的影響來確定調制器中調制臂脊型波導最佳值為400 nm,脊高為150 nm,平板層的厚度為70 nm,p型摻雜區(qū)偏離波導中央的距離y_(offset)為20~35 nm,d_(n+)=1.48μm,d_(p+)=1.52μm,PN結處,N區(qū)、P區(qū)摻雜濃度大于等于2×10~177 cm~(-3),N+、P+區(qū)為載流子的過渡區(qū),摻雜濃度為10~(19)/cm~3,重摻雜區(qū)為10~(21)/cm~3。所得調制臂的損耗為3.78dB/cm,消光比為3.7dB,調制帶寬為37GHZ,調制速率最高為50Gbps。在仿真設計的基礎上,利用中科院微電子所8寸工藝平臺完成了硅基電光調制器的制作。通過測量波導群的損耗確定波導損耗為6dB/cm,-4V偏壓下所測量的帶寬為17GHZ,調制速率為30Gbit/s。提出狹縫脊型波導,對其結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計,得出當兩側波導寬度分別為220nm,狹縫寬度為40nm,狹縫刻蝕Si的厚度為220nm時,狹縫中歸一化功率取得最大值13.54%。
【圖文】：

圖 1.1 MOS 電容結構圖 圖 1.2 微環(huán)諧振腔結構示意圖2007 年，Intel 利用反向 PN 結的電學結構，橫截面圖如圖 1.3 所示，它包括一個 p 型摻雜晶體硅脊形波導，脊型波導寬度約為 0.6 μm，脊高度約為 0.5 μmn 型摻雜硅蓋層（寬約 1.8 μm）。利用非選擇性外延硅生長工藝形成其�。� 0.1 μm厚）的蓋層，并用于 p-n 結形成和電接觸。 p 摻雜濃度約為 1.5×1017cm-3，n 摻雜濃度從帽層頂部附近的 3×1018cm-3變?yōu)?p-n 結處 1.5×1017cm-3。為了保證硅和金屬觸點之間良好的歐姆接觸，從脊型波導邊緣兩側約 1 微米的平板區(qū)域和距脊邊約 0.3 微米的薄帽層重摻雜濃度約為 1×1020cm-3的 p 型和 n 型摻雜物。該工藝的目的是將 p-n 結靶向埋入氧化物的大約 0.4 微米處，，以實現(xiàn)與耗盡區(qū)的最佳模式重疊。由于 n 摻雜濃度遠高于 p 摻雜濃度，反向偏置下的載流子耗盡主要發(fā)生在 p 型摻雜區(qū)域。這導致更好的相位調制效率，因為與根據(jù)光吸收譜的Kramers-Kronig 分析的電子密度變化相比，空穴密度變化導致更大的折射率變化進一步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為 40 Gbps；3dB 光響應帶寬為 30GHZ[14]。2012 年，英國 Surrey 大學的 D.J.Thomson 等研究人員率先報道了 50 Gbit[15]，通過采用與脊形波導側壁共面的 PN 結使得器件在高速率調制

圖 1.1 MOS 電容結構圖 圖 1.2 微環(huán)諧振腔結構示意圖2007 年，Intel 利用反向 PN 結的電學結構，橫截面圖如圖 1.3 所示，它包括一個 p 型摻雜晶體硅脊形波導，脊型波導寬度約為 0.6 μm，脊高度約為 0.5 μmn 型摻雜硅蓋層（寬約 1.8 μm）。利用非選擇性外延硅生長工藝形成其�。� 0.1 μm厚）的蓋層，并用于 p-n 結形成和電接觸。 p 摻雜濃度約為 1.5×1017cm-3，n 摻雜濃度從帽層頂部附近的 3×1018cm-3變?yōu)?p-n 結處 1.5×1017cm-3。為了保證硅和金屬觸點之間良好的歐姆接觸，從脊型波導邊緣兩側約 1 微米的平板區(qū)域和距脊邊約 0.3 微米的薄帽層重摻雜濃度約為 1×1020cm-3的 p 型和 n 型摻雜物。該工藝的目的是將 p-n 結靶向埋入氧化物的大約 0.4 微米處，以實現(xiàn)與耗盡區(qū)的最佳模式重疊。由于 n 摻雜濃度遠高于 p 摻雜濃度，反向偏置下的載流子耗盡主要發(fā)生在 p 型摻雜區(qū)域。這導致更好的相位調制效率，因為與根據(jù)光吸收譜的Kramers-Kronig 分析的電子密度變化相比，空穴密度變化導致更大的折射率變化進一步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為 40 Gbps；3dB 光響應帶寬為 30GHZ[14]。2012 年，英國 Surrey 大學的 D.J.Thomson 等研究人員率先報道了 50 Gbit[15]，通過采用與脊形波導側壁共面的 PN 結使得器件在高速率調制
【學位授予單位】：貴州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN761

【參考文獻】

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1 王興軍;蘇昭棠;周治平;;硅基光電子學的最新進展[J];中國科學:物理學 力學 天文學;2015年01期

2 李佳;;馬赫—曾德爾電光調制器原理及其在光纖通信中的應用[J];湖南工業(yè)職業(yè)技術學院學報;2010年03期

本文編號：2596576