本文關(guān)鍵詞：硅基微環(huán)諧振腔傳輸譜特性的集成光子應(yīng)用研究

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【摘要】：21世紀(jì)是信息時(shí)代,物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心等新興信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展伴隨著的是信息量的爆炸式增長(zhǎng),為了滿足日益增長(zhǎng)的信息傳輸量,光信息技術(shù)受到越來(lái)越多的重視并被廣泛應(yīng)用。作為一種大容量的信息載體,光通信具有帶寬大、損耗低、時(shí)延低、電磁干擾抗性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了突破半導(dǎo)體行業(yè)的電互連面臨的帶寬、延時(shí)、功耗等技術(shù)瓶頸,充分利用光通信的優(yōu)點(diǎn),需要微處理器多核間的高速光互連的實(shí)現(xiàn)。因此硅基光子學(xué)得到了飛速的發(fā)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應(yīng)用是一項(xiàng)極具重要研究意義與應(yīng)用價(jià)值的課題。微環(huán)諧振腔是應(yīng)用平面光波導(dǎo)作為光的傳輸介質(zhì),用彎曲波導(dǎo)首尾相連構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)的諧振腔,其對(duì)不同波長(zhǎng)的光會(huì)有不同的傳輸響應(yīng)。硅基微環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,器件緊湊,制作工藝與CMOS技術(shù)兼容,其傳輸譜具備多種光學(xué)特性,可以用來(lái)構(gòu)建多種不同用途的集成光子器件,在硅基集成光子學(xué)中有著廣泛而且重要的應(yīng)用前景。本論文以硅基徽環(huán)諧振腔為基本單元,分析其傳輸譜的各項(xiàng)特性,并對(duì)利用其各種特性構(gòu)建的可重構(gòu)波分復(fù)用光鏈路、帶寬可調(diào)濾波器以及波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其主要?jiǎng)?chuàng)新和特色工作包括：1.理論結(jié)合仿真分析了微環(huán)諧振腔傳輸譜的四種特性,濾波特性、可調(diào)特性、相干疊加特性和邊緣濾波特性,這四種特性都有其特定的應(yīng)用價(jià)值。本論文后續(xù)的所有研究都是以此為中心而展開(kāi)的,是本論文的核心基礎(chǔ)。2.應(yīng)用微環(huán)諧振腔傳輸譜的濾波特性和可調(diào)特性,設(shè)計(jì)基于硅基微環(huán)的通道波長(zhǎng)可重構(gòu)的8路波分復(fù)用高速光鏈路,通過(guò)對(duì)微環(huán)諧振波長(zhǎng)的熱光調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)光鏈路波分復(fù)用通道的低功耗可重構(gòu)。光鏈路由1×8的微環(huán)調(diào)制器和1×8的微環(huán)濾波器集成Ge-Si探測(cè)器組成,采用國(guó)外商用標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容工藝制作。芯片可封裝離臺(tái)測(cè)試,所有微環(huán)的諧振波長(zhǎng)都可通過(guò)熱光調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)整個(gè)FSR連續(xù)可調(diào),熱調(diào)效率為8mW/nm,測(cè)試給出了各通道間熱串?dāng)_的系數(shù)矩陣。根據(jù)熱調(diào)效率和熱串?dāng)_系數(shù)矩陣,可實(shí)現(xiàn)對(duì)各微環(huán)諧振波長(zhǎng)的精確調(diào)控,基于此實(shí)現(xiàn)8通道波分復(fù)用的任意通道波長(zhǎng)和間隔的低功耗重構(gòu)。演示了通道間隔50GHz和100GHz以及8個(gè)通道平均分布整個(gè)微環(huán)FSR的通道分布圖。測(cè)試單通道傳輸速度可以達(dá)到10Gb/s以上,系統(tǒng)總體可以實(shí)現(xiàn)100Gb/s數(shù)據(jù)傳輸。3.應(yīng)用微環(huán)諧振腔傳輸譜的相干疊加特性和可調(diào)特性等多種特性,提出一種新型的基于多微環(huán)組合的硅基集成帶寬可調(diào)濾波器。由各微環(huán)傳輸譜合成輸出的濾波譜通過(guò)調(diào)節(jié)各微環(huán)諧振波長(zhǎng)間距可以實(shí)現(xiàn)大范圍帶寬可調(diào)。對(duì)利用微環(huán)傳輸譜特性實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)的工作原理以及其工作性能與微環(huán)傳輸譜特性的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析和詳細(xì)的闡述。設(shè)計(jì)并制作了基于四環(huán)濾波譜相干疊加的硅基帶寬可調(diào)濾波器芯片,器件尺寸為1.6mm×0.25mm。測(cè)試結(jié)果濾波器可實(shí)現(xiàn)帶寬在0.6～2.8nm(75～350GHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),中心波長(zhǎng)可調(diào)范圍可覆蓋單環(huán)10nmFSR,調(diào)節(jié)效率為0.03nm/mW,器件插損根據(jù)所調(diào)帶寬不同在1.26dB到7.08dB的范圍內(nèi)。4.應(yīng)用微環(huán)諧振腔傳輸譜的邊緣濾波特性,提出基于硅基微環(huán)的比率制波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)片上集成的高分辨率的波長(zhǎng)檢測(cè)。詳細(xì)分析了波長(zhǎng)檢測(cè)性能與微環(huán)濾波器的Q值、微環(huán)之間的諧振波長(zhǎng)間距等設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。測(cè)試可得單通道波長(zhǎng)檢測(cè)在0.72nm測(cè)量范圍下理論極限分辨率0.41pm,實(shí)測(cè)分辨率為1.5pm,并詳細(xì)分析了實(shí)測(cè)中影響波長(zhǎng)分辨率的因素。以理論和實(shí)驗(yàn)的分析為基礎(chǔ)總結(jié)出一系列在設(shè)計(jì)與應(yīng)用時(shí)提高系統(tǒng)性能的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。結(jié)合微環(huán)傳輸譜可調(diào)特性制作了可調(diào)波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)和多通道波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)芯片,可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)檢測(cè)。在應(yīng)用微環(huán)實(shí)現(xiàn)高分辨率檢測(cè)的基礎(chǔ)下,設(shè)計(jì)并制作了集成EDG和微環(huán)的二級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了總測(cè)量范圍30nm,分辨率1.5pmm的大范圍高精度的硅基集成波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN629.1

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本文編號(hào)：1230639