用于片上光互連的可重構(gòu)模式處理器件的研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-12 03:59
人們對(duì)高速大容量信息處理技術(shù)的強(qiáng)烈需求促使片上光學(xué)復(fù)用技術(shù)迅速發(fā)展。在眾多光學(xué)復(fù)用技術(shù)中,模式復(fù)用技術(shù)因其能較低成本、較大規(guī)模地集成各種模式處理器件到光網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)倍提升通信容量而廣受關(guān)注。為了進(jìn)一步滿足多功能化、靈活化和智能化的高速大容量光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求,研究新型可重構(gòu)的模式處理器件顯得尤其重要。本文從這一重大需求出發(fā),從模式的產(chǎn)生、復(fù)用以及交換三個(gè)角度設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了幾種關(guān)鍵的可重構(gòu)模式處理器件,包括可重構(gòu)模式轉(zhuǎn)換器、可重構(gòu)模式復(fù)用器和可重構(gòu)模式交換器。作為基本結(jié)構(gòu)單元,光波導(dǎo)是所有集成光學(xué)器件的基礎(chǔ),因此本文首先對(duì)光波導(dǎo)的相關(guān)理論進(jìn)行了介紹,在此基礎(chǔ)上探討了耦合模理論與相位匹配條件,并研究了設(shè)計(jì)器件時(shí)需要用到的微環(huán)諧振器和多模干涉耦合器的理論模型。在模式產(chǎn)生方面,針對(duì)目前大部分模式轉(zhuǎn)換器只能實(shí)現(xiàn)固定的模式轉(zhuǎn)換問題,本文提出并驗(yàn)證了兩種能選擇性輸出特定模式的可重構(gòu)模式轉(zhuǎn)換器。其一是基于級(jí)聯(lián)多模干涉耦合器設(shè)計(jì)的能在基模和一階模之間選擇性輸出一個(gè)或兩個(gè)模式的器件,對(duì)該器件進(jìn)行模擬仿真的結(jié)果表明,該器件在TE0模輸出、TE1模輸出、TE0
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：146 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
世界上第一塊集成電路
并正如火如荼地發(fā)展。片上光互連技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要集中在兩種襯底材料上，一種是 III-V 族襯底如銦磷（InP）或砷化鎵（GaAs）等，另一種是 IV 族材料如絕緣襯底上硅（SOI:Silicon-on-Insulator）等。InP 和 GaAs 的研究起步較早，目前技術(shù)相對(duì)成熟，但其生長(zhǎng)成本比較高。其次，由于 InP 基波導(dǎo)器件的芯層和包層折射率差較小，很難做到非常小的波導(dǎo)彎曲，進(jìn)而器件整體尺寸較大，不利于大規(guī)模集成。SOI 材料得益于硅作為地球上含量第二多的元素，其成本較為低廉，且 SOI 器件的制作與現(xiàn)有成熟的 CMOS 工藝兼容，波導(dǎo)的芯層和包層折射率差較大，使得器件尺寸較小，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模片上集成，因此，基于硅基光子學(xué)的 SOI 器件是未來片上光互連與信息處理的主要發(fā)展方向[10-13]。1985 年，美國麻省大學(xué)波士頓分校（University of Massachusetts Boston）的理查德·索勒夫（Richard Soref）首次提出并驗(yàn)證了全單晶硅波導(dǎo)可以用來作為通信波段的導(dǎo)波材料[14]。相比于 III-V 族材料（如 InP），SOI 波導(dǎo)的傳輸損耗至少要小一個(gè)量級(jí)[11]。為了實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、低延遲、低損耗以及芯片尺度的
1.2.1 硅基片上激光器硅的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底在 k 空間不同位置處，是間接帶隙半導(dǎo)體，其內(nèi)量子效率 約為 10-5~10-6。硅的價(jià)帶上的電子不能直接躍遷到導(dǎo)帶上，需要間接躍遷。由于間接躍遷過程中除了發(fā)射光子外還需要聲子的參與，因此，相對(duì)來說間接躍遷的概率比直接躍遷小很多，故硅的發(fā)光效率比較低，長(zhǎng)期以來很難直接利用硅來實(shí)現(xiàn)片上激光器。2005 年，美國布朗大學(xué)（Brown University）的科學(xué)家通過在硅上周期性地刻蝕一些直徑為 110 nm 的納米孔陣列結(jié)構(gòu)形成缺陷中心，從而實(shí)現(xiàn)了光的受激發(fā)射和光增益[19]。這種方式的缺點(diǎn)是只有在溫度低于 80K 時(shí)才能起作用。同年，英特爾公司（Intel）的科學(xué)家在《Nature》雜志連續(xù)發(fā)表兩篇文章報(bào)道了一種純硅的拉曼激光器[20-21]。該激光器結(jié)構(gòu)如圖 1.3（a）所示，其原理是通過輸入一束功率密度很高的泵浦光到施加反向偏壓的 PIN 型硅波導(dǎo)中，使泵浦光與硅原子發(fā)生拉曼散射，泵浦光的高能量將被硅吸收后，硅原子發(fā)生振轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷，并將泵浦光轉(zhuǎn)換為滿足拉曼諧振頻率的斯托克斯波長(zhǎng)光，之后再通
【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]硅基微環(huán)諧振器（MRR）的傳輸特性研究及應(yīng)用[D]. 吳小所.蘭州大學(xué) 2017
本文編號(hào)：2972104
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：146 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
世界上第一塊集成電路
并正如火如荼地發(fā)展。片上光互連技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要集中在兩種襯底材料上，一種是 III-V 族襯底如銦磷（InP）或砷化鎵（GaAs）等，另一種是 IV 族材料如絕緣襯底上硅（SOI:Silicon-on-Insulator）等。InP 和 GaAs 的研究起步較早，目前技術(shù)相對(duì)成熟，但其生長(zhǎng)成本比較高。其次，由于 InP 基波導(dǎo)器件的芯層和包層折射率差較小，很難做到非常小的波導(dǎo)彎曲，進(jìn)而器件整體尺寸較大，不利于大規(guī)模集成。SOI 材料得益于硅作為地球上含量第二多的元素，其成本較為低廉，且 SOI 器件的制作與現(xiàn)有成熟的 CMOS 工藝兼容，波導(dǎo)的芯層和包層折射率差較大，使得器件尺寸較小，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模片上集成，因此，基于硅基光子學(xué)的 SOI 器件是未來片上光互連與信息處理的主要發(fā)展方向[10-13]。1985 年，美國麻省大學(xué)波士頓分校（University of Massachusetts Boston）的理查德·索勒夫（Richard Soref）首次提出并驗(yàn)證了全單晶硅波導(dǎo)可以用來作為通信波段的導(dǎo)波材料[14]。相比于 III-V 族材料（如 InP），SOI 波導(dǎo)的傳輸損耗至少要小一個(gè)量級(jí)[11]。為了實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、低延遲、低損耗以及芯片尺度的
1.2.1 硅基片上激光器硅的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底在 k 空間不同位置處，是間接帶隙半導(dǎo)體，其內(nèi)量子效率 約為 10-5~10-6。硅的價(jià)帶上的電子不能直接躍遷到導(dǎo)帶上，需要間接躍遷。由于間接躍遷過程中除了發(fā)射光子外還需要聲子的參與，因此，相對(duì)來說間接躍遷的概率比直接躍遷小很多，故硅的發(fā)光效率比較低，長(zhǎng)期以來很難直接利用硅來實(shí)現(xiàn)片上激光器。2005 年，美國布朗大學(xué)（Brown University）的科學(xué)家通過在硅上周期性地刻蝕一些直徑為 110 nm 的納米孔陣列結(jié)構(gòu)形成缺陷中心，從而實(shí)現(xiàn)了光的受激發(fā)射和光增益[19]。這種方式的缺點(diǎn)是只有在溫度低于 80K 時(shí)才能起作用。同年，英特爾公司（Intel）的科學(xué)家在《Nature》雜志連續(xù)發(fā)表兩篇文章報(bào)道了一種純硅的拉曼激光器[20-21]。該激光器結(jié)構(gòu)如圖 1.3（a）所示，其原理是通過輸入一束功率密度很高的泵浦光到施加反向偏壓的 PIN 型硅波導(dǎo)中，使泵浦光與硅原子發(fā)生拉曼散射，泵浦光的高能量將被硅吸收后，硅原子發(fā)生振轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷，并將泵浦光轉(zhuǎn)換為滿足拉曼諧振頻率的斯托克斯波長(zhǎng)光，之后再通
【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]硅基微環(huán)諧振器（MRR）的傳輸特性研究及應(yīng)用[D]. 吳小所.蘭州大學(xué) 2017
本文編號(hào)：2972104
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