【摘要】：硅材料來源豐富,成本低,機械性能、耐高溫特性好,便于芯片加工和封裝。借助集成電路已大規(guī)模商用的CMOS工藝平臺實現(xiàn)硅光芯片的生產(chǎn)制造,可以有效解決我國高端光電子芯片制造能力薄弱、工藝能力不足的問題。不過,硅材料屬間接帶隙半導(dǎo)體材料,需要解決硅基光源加工和眾多光元件集成難題;硅材料不存在線性電光效應(yīng)和光電探測功能,也需要解決調(diào)制器加工和鍺硅材料外延生長難題。加上硅光芯片對高端光器件的帶寬、集成度、性能、功耗、可靠性和成本等要求極高,使得多年來硅光芯片研制一直是國內(nèi)外熱點和難點。針對以上工程科技問題,本文主要圍繞100G硅光集成芯片及襯底掏空調(diào)制器展開了全面深入的研究。系統(tǒng)的研究了調(diào)制器的帶寬限制因素并實現(xiàn)了帶寬高達(dá)60GHz的硅光調(diào)制器。在此基礎(chǔ)上制作了多種硅基光電調(diào)制器和硅光集成芯片,主要創(chuàng)新點如下:(1)針對目前硅光調(diào)制器應(yīng)用時帶寬受限和光芯片研制系列難題,本文研究了有源區(qū)的高頻特性和調(diào)制器行波電極的等效電路模型,并基于上述結(jié)果研究了調(diào)制器的帶寬公式。探索了實現(xiàn)帶寬最大化需要滿足的三個條件:較低的微波損耗、完美的阻抗匹配和電光折射率匹配。本文在國際上率先提出了襯底掏空硅光調(diào)制器的技術(shù)方案,通過重構(gòu)襯底中的硅材料相比現(xiàn)有調(diào)制器設(shè)計方案可以獲得更高的帶寬、更匹配的阻抗和電光折射率。最終加工的調(diào)制器帶寬達(dá)到了60GHz,這是目前國際上已報道的商用純硅波導(dǎo)型硅光調(diào)制器帶寬的最高紀(jì)錄�；谶@一光調(diào)制器實現(xiàn)了90Gbaud/s的OOK光眼圖調(diào)制和56Gbaud/s的PAM4光眼圖調(diào)制。實現(xiàn)了單波長100G調(diào)制器光芯片產(chǎn)業(yè)化(見M.Li et al.Photonics Research,2018,6(2):109-116)。(2)針對硅光調(diào)制器調(diào)制效率偏低和插損定量研究機理復(fù)雜等難題,本文提出了一整套研制流程和方案。定量研究了載流子電學(xué)分布、波導(dǎo)光模場分布和電光重疊積分等數(shù)值模擬過程。完成了整套商用流程的程序編寫,大大簡化了調(diào)制器性能定量評估流程,其評估結(jié)果與流片調(diào)制器芯片的實驗結(jié)果一致(見X.Xiao,M.Li et al.OFC,2017.paper Tu2H.1(Invited talk))。針對目前單端調(diào)制器功耗較大且無法與400G電芯片匹配的難題,本文提出了三種差分驅(qū)動的硅光調(diào)制器設(shè)計方案,差分調(diào)制器的帶寬可以達(dá)到30GHz,阻抗約為80Ω。所提出的三種差分調(diào)制器有效的支撐了未來的400G光器件(見李淼峰等.專利受理號:201611192997.0)。(3)針對目前光器件封裝成本偏大占據(jù)整體成本70%的問題和分立電光芯片限制整體調(diào)制器帶寬的問題,本文提出了混合集成可重構(gòu)硅基單片光發(fā)射機和單片集成CWDM4光發(fā)射機兩種硅光集成芯片設(shè)計方案,大幅度減小了光器件的封裝成本,同時提高了整體發(fā)射機的性能(見N.QI,X.Xiao,Sh.Hu,M.Li et al.OFC,2016.paper Th1F.3)。(4)在應(yīng)用方面針對光接入網(wǎng)絡(luò)對更低成本、更高帶寬和更長接入距離的需求,本文提出了一種硅基相干PON解決方案,在20km傳輸后可以獲得-45dB的靈敏度。同時大幅度降低了接入成本(見M.Li et al.Opt.Express,2015,23(15):19799-19805)。針對目前數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)對單波100G及400G光芯片的迫切需求,本文提出了基于襯底掏空硅光調(diào)制器的單波長100G數(shù)據(jù)中心光芯片方案,實現(xiàn)了單波長100G PAM4信號的10km傳輸,完全滿足數(shù)據(jù)中心的商用需求(見M.Li et al.Photonics Research,2018,6(2):109-116)。針對目前相干長距傳輸光模塊體積大、成本高和功耗高等問題,本文提出了硅基IQ調(diào)制器光芯片設(shè)計方案,實測模塊性能指標(biāo)與商業(yè)化鈮酸鋰調(diào)制器相當(dāng)�；谶@一硅光IQ調(diào)制器實現(xiàn)了單載波200Gb/s傳輸2400公里,光芯片指標(biāo)與國際上水平最高的美國acacia產(chǎn)品性能相當(dāng)(X.Xiao,M.Li et al.OFC,2016.paper Th4H.5)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN761;TN929.11
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文過單個信道傳輸多路信號的技術(shù)方案，使得光纖通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量出現(xiàn)突飛的提升[16-17]。第三個階段從 1996 年開始一直延續(xù)到 2012 年，基于信號處理的光通信技術(shù)被引入，通信網(wǎng)絡(luò)的譜效率得到大幅度的提高，光通信網(wǎng)絡(luò)的容量繼續(xù)提升[18]，單根光纖 Tb/s 級光網(wǎng)絡(luò)不斷被實現(xiàn)[19-20]，其中甚至有一些結(jié)果可得單根光纖實現(xiàn) 100Tb/s 的容量[21]，這種技術(shù)下非線性香農(nóng)極限對系統(tǒng)容量產(chǎn)限制效應(yīng)。更為重要的是在這個階段的末期自然雜志刊登了一篇文章[22]指0Tb/s 的容量是目前標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸容量的關(guān)鍵門檻[23-24]。第四個階段是 2后直到今天，單根傳統(tǒng)單模光纖的容量接近極限，多個光波的模式和空分復(fù)用[25-26]和各種光子集成技術(shù)[27-33]開始被引入光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光通信系統(tǒng)容量進(jìn)提升。其中具有標(biāo)志意義的是幾個可以實現(xiàn) Pb/s 量級的實驗結(jié)果。

圖 1-2 硅基光子工藝平臺所需要的各種部件和支撐平臺[97]硅光子技術(shù)經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)研究，如今已經(jīng)得到了全球商業(yè)界廣泛的關(guān)注和不斷有成功的商業(yè)化產(chǎn)品和公司脫穎而出，短時間內(nèi)獲得成功。圖 1-3 展示了硅市場未來的市場和產(chǎn)品占比預(yù)測。其數(shù)據(jù)表明未來硅光子在商業(yè)化的道路上大有前景廣闊。售額銷(ilioMn)$

圖 1-2 硅基光子工藝平臺所需要的各種部件和支撐平臺[97]硅光子技術(shù)經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)研究，如今已經(jīng)得到了全球商業(yè)界廣泛的關(guān)注和投入。不斷有成功的商業(yè)化產(chǎn)品和公司脫穎而出，短時間內(nèi)獲得成功。圖 1-3 展示了硅光子市場未來的市場和產(chǎn)品占比預(yù)測。其數(shù)據(jù)表明未來硅光子在商業(yè)化的道路上大有可為前景廣闊。

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本文編號：2748739