集成垂直耦合结构的光波导电光调制器研究-测试技术与仪器硕士论文

分类号：分类号： TN252 单位代码：单位代码：10110 学学 号：号：b20110055 中中 北北 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 集成垂直耦合结构的光波导电光调制器 研究 博士研究生博士研究生 崔丹凤崔丹凤 指导教师指导教师 薛晨阳薛晨阳 （教授）（教授） 学科专业学科专业 测试计量技术及仪器测试计量技术及仪器 2014 年年 04 月月 03 日日 集 成 垂 直 耦 合 结 构 的 光 波 导 电 光 调 制 器 研 究 中 北 大 学 图书分类号图书分类号 TN252 密级 非密 UDC 注注 1_ 博博 士士 学学 位位 论论 文文 集成垂直耦合结构的光波导电光调制器研究 崔丹凤崔丹凤 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 薛晨阳（教授） 申请学位级别申请学位级别 博士学位 专业名称专业名称 测试计量技术及仪器 论文提交日期论文提交日期 2014 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2014 年年 月月 日日 学位授予日期学位授予日期 2014 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 答辩委员会主席答辩委员会主席 2014 年年 月月 日日 注注 1：注明国际十进分类法：注明国际十进分类法 UDC的分类的分类 Ph.D.Dissertation Research on Electro-Optic Modulator of Integrated Vertical Coupling Structure By: Dan-feng Cui Supervisor: Chen-yang Xue Professor North University of China April 3th, 2014 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 I 集成垂直耦合结构的光波导电光调制器研究 摘要 芯片的发展趋势是电-光-电的光电混合集成，微光电子集成芯片是将集成电路与光 子集成器件并为一体，实现具有实际价值的光电子集成系统。利用光子器件能够高密度 并行操作以及快速的输入/输出能力， 与电子器件结合起来后实现超快速大规模的集成系 统。具有发射、调制、探测光信号以及放大、逻辑运算、智能控制电信号的功能。在光 互连、光交换、光信息处理等方面具有重要的意义以及广泛的应用前景。在这个背景下 基于绝缘体上硅（SOI）材料的微环谐振腔片上集成系统逐渐受到国内外学者的广泛关 注。 本文就是以目前国际最新成果作为指引，面向高 Q 值光学微环谐振腔片上集成系 统，开展了集成光栅垂直耦合的光波导电光调制器的研究。主要是围绕光波导电光调制 器， 对其耦合单元及敏感单元分别进行了详细的研究， 包括光栅耦合器、 环形谐振器等。 主要的研究内容归纳为以下几方面： （1） 理论及设计方面：光栅耦合器和环形谐振器分别作为电光调制器的耦合单元和 敏感单元，对三者的相互关系以及基本理论进行了深入的研究；利用FDTD、BPM 以及Rsoft光学仿真软件分别对垂直光栅耦合器、环形谐振器的关键参数进行了模拟 仿真分析，深入研究了光栅刻蚀深度、周期及光束的入射角度等参数对耦合性能的 影响，以及波导宽度、弯曲半径和耦合间距等参数与环形谐振器谐振性能之间的关 系， 设计了一种新型的四环级联结构谐振器， 可以实现谐振峰的分裂； 利用Sentaurus TCAD软件对二极管特性进行了仿真分析，最终确定光波导电光调制器的结构参数 以及工艺参数。 （2） 加工制备方面：利用电子束曝光及感应耦合等离子体刻蚀工艺相结合的方式完 成了光栅耦合器和环形谐振器的制备。根据设计的掺杂浓度及掺杂深度，利用离子 注入法完成了电光调制器P-I-N二极管的制备，并与PCB版接连后完成调制器的整体 结构制备。 （3） 测试方面：首先对端面耦合与垂直耦合方式进行了对比效率实验，经过计算分 析实验结果可以得到端面耦合的耦合效率为12%，光栅耦合器添加增透膜后的耦合 效率可以达到26%，并对光纤-光栅耦合区域进行了固化封装，测试结果发现可以较 中北大学学位论文 II 大程度地提高器件的稳定性，实现了高效且稳定的耦合单元；测试发现设计的新型 四环级联结构的谐振器不但可以实现光的延迟，还能保证较高的品质因数 （ 5 0.72 10Q） ，并且对温度有较好的敏感度0.16nm/。在验证了具有较好的光 耦合单元及性能较好的敏感单元后，搭建调制器测试平台，分别对调制器的静态特 性和动态特性进行了测试。 测试结果实现了光谱曲线中谐振峰的偏移， 动态测试中， 目前可获得30MHz的稳定输出信号。 关键词：关键词：集成光学，光波导电光调制器，光栅耦合器，环形谐振器，品质因数，谐振 耦合诱导透明 中北大学学位论文 III Research on Electro-Optic Modulator of Integrated Vertical Coupling Structure Abstract Hybrid integrated of electricity-optics-electricity is the development of chip. MEMS integrated chip constitute optoelectronic integrated system with practical value. Takes full advantage of high-density integrated photonic devices operating in parallel and high-speed optical input/output capability, skillfully combined with the photon functions and electronic functions, constitute a high-speed and large scale integrated systems with transmit, modulation, detection optical signal and amplify, logical, intelligent control electrical signals . It has great significance and broad prospect in optical interconnects, optical switching, optical information processing. Micro-ring resonator integrated system which fabricated on silicon-on-insulator (SOI) gradually attracted widespread attention from domestic and international scholars. This dissertation based on the latest international achievements as guidelines, for high-Q optical micro-ring resonator chip integrated system carried out a study of silicon-based optical waveguide several discrete devices, which is mainly around the waveguide electro-optic modulator including the grating couplers, ring resonators and et.al. The main contents are summarized in the following aspects: (1) Theory and design: Grating coupler and ring resonator look as coupling unit and sensitive unit of electro-optic modulator respectively and do the thorough research on these basic theories. Grating coupler and ring resonator are simulated about groove depth of grating, period, the angle of incidence by optical simulation software FDTD. Meanwhile, key parameters of waveguide width, bend radius and the gap between waveguide and resonator are investigated. A novel four-ring cascade structure is designed. Resonance peaks split can be realized. Simulation analysis of the electro-optic effect and the frequency modulation is performed by simulation software Sentaurus TCAD to determine the final modulator parameters of structures and technics. (2)Preparation process: The preparation of grating coupler and ring resonator is fabricated with electron beam lithography and inductively coupled plasma etching process. According to the design of the doping concentration and doping depth, the 中北大学学位论文 IV modulator is used of ion implantation to complete the preparation of electro-optic modulator PIN diode, and the final structure of the modulator was prepared after a series of PCB versions connecting. (3)Testing: compared with the experiments of end-face coupling and vertical coupling, the result indicate that the coupling efficiency of end-face coupling method is around 12%,while the coupling efficiency of grating coupler with antireflective coating is around 26%. The encapsulation experiment of fiber- grating is carried out, and the efficiency and stability of the device is improved considerably. In terms of characteristics of resonator, four-ring structure not only obtains a high quality factor with 72,000, optical delay but also can achieve a nice temperature sensitivity 0.16nm/. The testing platform for modulator after verifying a better performance of optical coupler and a sensitive unit is set up. Static and dynamic characteristics of the modulator are tested, respectively. The shift of the resonance peak in spectral curve is achieved by experiments. The stable output signal of 30MHz is achieved in dynamics tests. Keywords: integrated optics, electro-optical modulator, grating coupler, resonators, quality factor, coupling resonance induced transparency (CRIT) 中北大学学位论文 V 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 . 1 1.2 硅基光波导基础单元器件国内外发展现状硅基光波导基础单元器件国内外发展现状 . 3 1.3 本人主要研究工作本人主要研究工作 . 8 第二章第二章 SOI 微环谐振腔调制器的基本理论分析微环谐振腔调制器的基本理论分析 2.1 波导耦合理论波导耦合理论 . 10 2.2 矩形波导传输模式矩形波导传输模式 . 13 2.3 光栅垂直耦合器光栅垂直耦合器 . 16 2.3.1 端面耦合端面耦合 . 16 2.3.2 衍射光栅基本原理衍射光栅基本原理 . 17 2.3.3 衍射光栅的主要性能衍射光栅的主要性能 . 21 2.3.4 衍射光栅耦合器的设计衍射光栅耦合器的设计 . 25 2.3.5 光纤光纤-光栅封装结构设计光栅封装结构设计 . 31 2.4 微环谐振器基本特性分析微环谐振器基本特性分析 . 32 2.4.1 微环谐振器理论模型及谐振特性微环谐振器理论模型及谐振特性 . 32 2.4.2 环形谐振器主要性能参数环形谐振器主要性能参数 . 35 2.4.3 谐振耦合诱导透明效应谐振耦合诱导透明效应 . 37 2.4.4 环形谐振器的仿真环形谐振器的仿真设计设计 . 38 2.4.5 芯片结构总体版图芯片结构总体版图 . 43 2.4.6 谐振耦合诱导透明效应结构设计谐振耦合诱导透明效应结构设计 . 45 2.5 电光调制器相关理论分析电光调制器相关理论分析 . 49 2.5.1 电光调制器主要性能参数电光调制器主要性能参数 . 49 2.5.2 硅的等离子体色散效应硅的等离子体色散效应 . 51 2.5.3 载流子浓度与外加偏压及谐振频移关系载流子浓度与外加偏压及谐振频移关系 . 52 2.5.4 电光调制器的结构设计电光调制器的结构设计 . 53 2.6 本章小结本章小结 . 56 中北大学学位论文 VI 第三章第三章 电光调制器的工艺与制备电光调制器的工艺与制备 3.1 光栅垂直耦合器及环形谐振器的制备光栅垂直耦合器及环形谐振器的制备 . 58 3.1.1 第一次流片的关键工艺第一次流片的关键工艺 . 59 3.1.2 第二次流片的关键工艺第二次流片的关键工艺 . 62 3.1.3 完成后的器件完成后的器件 . 67 3.2 光波导电光调制器的制备及结果光波导电光调制器的制备及结果 . 70 3.2.1 关键工艺关键工艺 . 71 3.2.2 完成后的器件完成后的器件 . 73 3.3 本章小结本章小结 . 74 第四章第四章 电光调制器测试电光调制器测试 4.1 光栅耦合器的实验测试与结果分析光栅耦合器的实验测试与结果分析 . 75 4.1.1 端面耦合端面耦合 . 75 4.1.2 光栅垂直耦合光栅垂直耦合 . 76 4.1.3 光纤光纤-光栅封装测试光栅封装测试 . 79 4.2 环形谐振器的实验测试与结果分析环形谐振器的实验测试与结果分析 . 80 4.2.1 特性测试特性测试 . 81 4.2.2 耦合诱导透明效应的验证耦合诱导透明效应的验证 . 84 4.3 调制器的测试与结果分析调制器的测试与结果分析 . 87 4.3.1 调制器的静态特性测试调制器的静态特性测试 . 87 4.3.2 调制器的动态特性测试调制器的动态特性测试 . 88 4.4 本章小结本章小结 . 89 第五章第五章 总结与展望总结与展望 5.1 论文主论文主要研究工作及创新性要研究工作及创新性 . 90 5.2 工作展望工作展望 . 91 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果 致致 谢谢 中北大学学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 目前通信技术发展迅速，需要新一代的IC芯片具有更大的存储空间以及更快的存储 速度。 而目前多核微处理器在将来的访问速率将会被限制在3-6Tb/s。 要达到处理速度快、 数据量存储大以及低功耗这些要求，急需要光电芯片来打破微电子产业摩尔定律的限制 1。由于光信号可完全替代电信号来实现信号的产生、存储、传输、探测等功能。同时， 光电芯片具有最佳的电子性能和直接、广泛的实用性。因此，面向多核光互连通信2,3 将是微处理器的发展方向。同时，微光电子集成的突破能够为建立高速大容量的光传输 系统奠定坚实的基础。 芯片的发展趋势是电-光-电的光电混合集成，微光电子集成芯片是将集成电路与光 子集成器件并为一体，实现具有实际价值的光电子集成系统。利用光子器件能够高密度 并行操作以及快速的输入/输出能力， 与电子器件结合起来后实现超快速大规模的集成系 统。具有发射、调制、探测光信号以及放大、逻辑运算、智能控制电信号的功能。在光 互连、光交换、光信息处理等方面具有重要的意义以及广泛的应用前景。在这个背景下 基于绝缘体上硅（SOI）材料的微环谐振腔片上集成系统逐渐受到国内外学者的广泛关 注。其中光栅耦合器、环形谐振器以及电光调制器作为片上体统中核心的敏感单元，已 经成为现阶段的研究热点。 随着硅基光电电子技术的发展，硅的较大折射率使器件可以做的越来越小，能够将 更多的光电子功能器件集成在同一个芯片上。由于目前硅基光源很难实现，一般光源选 择外接激光器。因此需要一个耦合器将外接光源的激光耦合进入光波导芯片中，传统的 最简便的方法是将光纤与纳米光波导直接对接，但是由于光纤的尺寸大约十几微米，而 波导仅为几百纳米，两者之间存在着严重的模式不匹配问题，导致耦合损耗很大，耦合 效率偏低，因此利用光栅耦合器的光栅垂直耦合法得到了越来越多的关注。光栅耦合的 优势在于光栅耦合器是利用光的衍射来实现波导表面光耦合，可以有效的解决光纤和波 导模式不匹配的问题，耦合效率高且易于集成。垂直光栅耦合是提高光互连效率的有效 途径，高效的光栅耦合和超低的耦合损耗是实现光波导集成化的关键。 中北大学学位论文 2 光学微腔（Microcavity）作为最具代表性的耦合谐振单元，是MOEMS器件中最具 代表性的一个结构，通常在器件中起到核心的光调制作用。它是指尺寸与谐振光波长相 比拟的光学微型谐振器，其具有超高的品质因数（Q）和较低的模式体积。并且光波在 光学微腔中传输和耦合时，会表现出多种不同的非线性物理效应，例如：Kerr效应88,89、 光学参量振荡、Purcell效应以及等离子色散效应等。从而可以利用光学微腔能够实现光 学滤波，并且能够调制和转换光信号以及有效地局域光能等功能。因此，目前越来越多 的研究学者开始关注基于光波导微谐振腔的光子器件并展开了研究。 传统的F-P微腔由于受到其结构本身的限制，很难减小它的腔模体积。同时，其精 细度和Q值的提高也受到腔镜表面镀膜技术的限制， 而且F-P腔本身的机械结构也不利于 系统稳定， 因此研究新型光学微腔是具有重要意义的。 环形谐振器4,5与其它光学谐振器 相比，具有独特的优势，主要在于能够实现小型化、高集成以及具有较高品质因数的器 件结构，并且制备工艺与传统的CMOS工艺兼容度6,7好。分析原因主要是由于环形谐振 器所特有的“回音壁模式” (Whispering Gallery Mode, WGM)，使器件具有超强的局域能 力。这种局域能力不仅可以有效地减小器件的体积，并且能够在降低功耗的基础上加快 器件的运行速度。由于这些优势使得环形谐振器在微光学器件810、光量子器件、光网 络、精密时间频率测量、光集成、光量子计算机、以及高灵敏度传感器1113等众多领域 都有着重要的应用价值，在众多光学微腔结构中是最有可能实现器件化结构。 光电调制器作为光调制单元的一种，需要具有高速、大带宽和低功耗的特性。采用 的绝缘体上硅(SOI)材料，具有高折射率差1416，从而可以将环形谐振器的半径做到很 小，并且制备方法与微电子加工工艺的兼容性好。硅材料的有效折射率随自由载流子浓 度的变化而发生改变，从而可以利用外加偏压的方法实现有效折射率的改变17，从而进 行谐振波长和光强的调制，且光调制速度主要取决于载流子的寿命，可达到几十皮秒量 级，对于实现高速的集成光电子器件有很大的潜力。 本题目在当前国际最新成果的引领下，针对集成光栅垂直耦合结构的SOI光波导电 光调制器展开的研究。基于集成光学和微加工工艺，主要包括对光栅耦合器、环形谐振 器以及电光调制器理论设计、制备及测试方面的研究。对垂直耦合输入输出光栅、光波 导环形腔倏逝场耦合及硅的电光效应进行了较深入的研究；根据FDTD、Rsoft等光学仿 真软件获得光栅耦合器和微环谐振器的最佳结构参数，利用Sentaurus TCAD软件对二极 中北大学学位论文 3 管特性的进行仿真分析，得到电光调制器的掺杂浓度及掺杂深度等参数；采用先进的电 子束刻蚀(EBL)技术、感应耦合等离子（ICP）刻蚀技术以及离子注入等微加工工艺相结 合的方式最终完成了器件的制备；并分别搭建测试平台对器件的性能进行了测试。 光波导环形谐振器及光栅耦合器分别作为基于SOI光波导环形谐振腔的电光调制器 的敏感单元和耦合单元，其效率的高低、性能的好坏直接影响到整个电光调制器件的性 能。 因此本课题的研究目的是在得到较高效率及较好性能的光栅耦合器以及环形谐振器 的基础上，完成电光调制器的加工制备，为今后的硅基片上集成系统奠定一定的基础。 1.2 硅基光波导基础单元器件国内外发展现状 纳米光波导是将光能量局域在纳米尺度受限空间内，以表面倏逝波形式实现高效光 互连及光耦合传输的新型光波导。纳米光波导谐振微腔作为纳米光波导的典型代表，由 于具有光场局域效果强、非线性阈值低、量子转化效率高等特点，在微光量子器件、微 光学器件、光集成器件、高灵敏度传感器件、时间及频率的测量、光网络以及光量子计 算机18等技术领域有着重要的潜在应用价值，引起了国际学术机构和学者的高度关注。 国外研究现状：国外研究现状： 由于波导层（几百纳米)与标准的单模光纤（几十微米）存在着较大的模式不匹配， 我们迫切的需要一种高效的光纤-硅波导耦合器，因此，通过在光纤与硅波导之间添加 光栅耦合器的方法也越来越受到国内外学者的广泛关注。但由于光纤到光栅的耦合入效 率测试过程比较复杂，影响因素较多，因此还需要对光栅耦合器进行深入的研究。 图1.1是Cambridge大学设计的不同刻蚀深度、不同周期的光栅垂直耦合结构，仿真 的耦合输出的效率可以达到70%1921。 图1.1 Cambridge大学设计的光栅结构及仿真 Ghent大学为了减小光的泄露损耗，在PCB衬底上淀积了一层金的反射层，并且在 中北大学学位论文 4 硅波导层表面添加了一层二氧化硅的增透膜，有效地降低了光的损耗，实现了高效的光 耦合，耦合输出的效率达到69%22，但是没有给出耦合输入的效率。 国际上光学谐振微腔相关研究开展较早，目前被广泛关注的光学微腔结构主要包括 盘型微腔24,25、 柱形微腔23、 FP腔28,29、 光子晶体微腔26,27、 环形腔32,33以及球形腔30,31 等。近年来国外开展了很多基于硅环形谐振腔微光源的相关研究：应用级联硅环形谐振 腔实现了中红外的拉曼激光；用1550nm激发硅环形谐振腔，获得的1848nm单模激光具 有窄线宽（2.5 MHz） 、输出功率大（超过5mW）等等。根据这些报道可以看出利用硅 基光波导环形谐振腔在实现芯片级超低阈值激光光源方面具有巨大的发展潜力，为后续 的集成光波导片上系统的实现提供了可行性支持。关于光波导环形谐振腔的另一个热点 是对基于高Q光学微腔的高灵敏传感器的研究34,35。NATURE和OSA近年来刊出了大量 有关集成光波导的研究成果及应用进展。 NATURE发表最新研究公布了线度在30nm的纳 米微小颗粒能够利用高Q谐振腔进行测试，将高Q值谐振腔的原来的对气体和生化传感 等应用领域拓展到了纳米粉尘及纳米颗粒的探测上。除此之外，对于环形谐振器其它领 域的应用也展开了相关研究，例如激光器，光调制器，光逻辑36，滤波器以及光学陀螺 等集成光学器件3742。图1.2体现了环形谐振腔丰富多彩的功能。 中北大学学位论文 5 图1.2 环形谐振器功能 (a)激光器, (b)滤波器, (c)光开关, (d)光调制器 (e)光延时线, (f)光学陀螺, (g)反射镜,(h)色散补偿器, (i)隔离器, (j)光记忆体, (k)传感器 类似于量子相干效应中的电磁诱导透明(EIT)43，耦合微环谐振腔作为一种色散结 构44,45，由于谐振腔之间的相消干涉可以实现谐振耦合诱导透明效应(Coupled Resonator Induced Transparency, CRIT),能够改变光在介质中的群速度， 从而在较宽的低透射率通带 内出现一个较窄的透明峰46,47。这种依赖色散结构的光学共振特性使群速度减慢的方法 比基于色散介质获得光速减慢具有较低的实验条件要求，更易于在实际中应用。同时， 由微环谐振腔引起的耦合谐振诱导透明效应的器件具有体积小，容易设计，室温下的集 成芯片式结构有利于对相干光场的控制，低激光驱动光源，并且能够通过控制微腔的中 心频率从而得到需要的透明窗口等优点，近几年其应用也取得了较大进展。例如全光开 关4850、光学延迟线51,52、光学陀螺5356、调制器57,58、光存储等。对照电磁诱导透明 的理论基础，2004年，David D. Smith等人获得了耦合诱导透明现象，结构主要利用的 中北大学学位论文 6 是串联微环谐振器结构。2006年，Q. Xu等人在实验中得到了并联双环谐振腔结构的光 速减慢，实验结果表明最大的延迟可达25ps。2007年，K. Totsuka等人在双微球结构中观 测到了慢光现象。2007年IBM在Nature Photonics上发表了一篇文章，设计了一种由耦合 谐振腔光波导和100个微环谐振腔的级联结构，它能够将光延迟500ps 59，如图1.3所示。 图1.3 (a) 级联的微环谐振腔 (b) 耦合谐振腔光波导结构 Intel公司在2004年初利用成熟的MEMS工艺在SOI上实现了调制速率达到1GHz的光 调制器60,61。其后他们进一步优化设计，通过缩小脊形波导的尺寸，脊区的多晶硅被利 用ELO(epitaxial lateral overgrowth)技术生长出的单晶硅所代替，从而获得了10GHz的调 制频率。但是该结构在调制过程中需要较长的调制长度，分析原因主要是由于光学折射 率与载流子浓度之间的耦合关系比较弱。为了解决这个问题，学者们提出了多种新型的 结构，其中一种比较新颖的设计就是基于光波导环形谐振器的光电调制结构。折射率变 化与传输特性的关系可以通过环形光学谐振结构得到有效地增强。它最早应用于光纤领 域，Xu Q62等人首次将这种设想应用在硅基光调制器中，经过多次优化后可以实现 10GHz以上的调制频率。2011年加州伯克利分校的Liu Ming63等人在nature上发表的A graphene-based broadband optical modulator文章中提出了一种基于石墨烯材料的新型的 集成波导调制器，这种调制器主要是通过对电压的控制实现石墨烯费米能级的调制，具 有带宽大、调制速度快等优点，并且调制频率超过1GHz。这种基于石墨烯的光学调制 器结构紧凑，便与集成，操作电压低，调制速度快。该新型电光调制器的提出为后续的 纳米集成光波导电光调制器的研制提供了新的思路。 中北大学学位论文 7 a调制器结构 b调制器截面图 c调制器俯视图 d波导局部放大图 图1.4 加州伯克利分校研制单层石墨烯光调制器 国内研究现状：国内研究现状： 我国微光机电器件相关研究也相继发展起来了。国家科技部、自然科学基金委对新 型微光机电惯性器件相关基础研究给予了重点资助。基于集成光波导的微光机电器件研 究涉及纳米光子学、微腔物理、微纳跨尺度制造技术以及惯性测量新理论等前沿科学和 关键技术，受到国内相关科研机构和专家学者的格外青睐，具有高精度、微小型化以及 高可靠性特点的微光机电器件也成为了我国惯性器件的重点发展方向，近年来我国在光 波导惯性器件设计理论、制造技术以及器件研发方面也取得了一些研究成果。中国科学 院上海微系统与信息技术研究所与上海新傲科技有限公司经过20多年的研制，终于自主 研发了SOI材料，并掌握了成套的制备关键技术，在制备过程中独创了一种利用键合和 注氧隔离技术相结合的方法注氧键合法。打破了国外的技术封锁，从根本上解决了 我国SOI材料的“有无”问题，具有重大的社会经济效益。 此外，浙江大学硅材料国家重点实验室、中国科学院半导体研究所光电子研究发展 中心、吉林大学、北京航空航天大学、厦门大学等在硅光波导、集成激光微陀螺、光波 导制造等方面开展了有益的探索。2008年天津大学与中电集团第十三研究所合作采用 InP基InAlGaAs多量子阱外延材料，采用聚酰亚胺介质平坦化工艺和感应耦合等离子体 （ICP）干法刻蚀相结合的方式，研制出了跑道型和圆环型两种结构的多量子阱半导体 环形激光器样品64。2010年国内报导，上海宏力半导体制造有限公司与中国科学院上海 微系统所SOI小组研究人员经过密切的合作，利用CMOS工艺平台首次开发出了硅基光 中北大学学位论文 8 调制器芯片，调制速率可达10Gbps，并且在一片SOI硅片上能够实现同与电路的集成， 满足了芯片内高效传输等光互连应用中对调制速率的要求，在将来的光通信、光学计算 机等类产品的发展中具有广阔的应用前景。 通过对比国内外发展现状可以看出，硅基集成光波导器件在众多领域中都已开展相 关研究。 国外起步比较早， 已经取得了较好的成果。 而国内与国际上相比相对比较落后， 但近几年来国家已经开始加大力度支持相关方面的研究，因此，国内也有了追赶国际领 先水平的趋势。基于以上分析，本文主要开展了