（微电子学与固体电子学专业论文）基于载流子色散效应的硅基光子器件若干问题研究.pdf

摘要 摘要 随着现代信息量的迅猛增长，单核处理器的性能已跟不上人们的需求。因此， 现有的处理器大都采用多核结构，而且单片集成的多核处理器的含核数量随着时 间的推移而增加。因而，如何在多核处理器之间以及核处理器与外部的存储器之 间实现高效的互连成为了关键的技术。 硅是地壳中含量第二大的元素，已成为现代成熟微电子技术的基础材料。硅 材料在红外波段有着良好的导波特性，同时其具有很强的载流子色散效应，弥补 了没有一阶电光效应的缺陷。以i n t e l 公司为代表的研究与研发单位已进行了卓 有成效的研究工作，证实了硅基光子器件在硅基光互连和高速光通信中具有大带 宽、低功耗的特性，可为解决互连和通信的瓶颈提供有效的途径。基于此，本论 文对基于载流子色散效应硅基光子器件的若干问题作了探索研究。本论文主要贡 献在于以下几个方面： ( 1 ) 建立起电学结构仿真模型，从物理层面上直观反映硅基光子器件电学 结构对硅基光子器件光学性能的影响，改进了其分析计算方法，进而指导硅基光 子器件的设计。本文通过s i l v a c o 的器件仿真工具a t l a s ，对硅基光子器件的电学 结构进行静态和动态仿真分析，再建立a t l a s 与m a t l a b 之间的接口，结合有限差 分数值方法分析计算电流引起的器件光学性能的改变，并加以实验验证，为之后 的器件设计打下基础。 ( 2 ) 以上述理论研究为基础，采用0 8i t m x - 艺，设计并制作了基于p n 结 的硅基光开关及其阵列和模块，改善了传统m z 光开关由载流子色散效应引起， 随电流增加而减小的串扰。其中，无阻塞2 x 2 光开关阵列的串扰小于1 6 1d b ， 支持3 5n m 的公共带宽( 1 5 2 5n m 1 5 6 0n m ) ，且单个2 2 m m i m z 光开关的最 小功耗仅为1 4 0m w 。而提出的4 端口双工光开关模块中任意连接两个端口的路 径都不会对连接另外两个端口的路径有影响作用。该器件的串扰小于1 1 8d b ， 支持4 0a m 的公共带宽( 1 5 2 5n m 1 5 6 5n m ) ，总的功耗小于4 2 6m w 。 ( 3 ) 建立基于反向p n 结的硅基微环谐振腔结构的光功能器件模型，并利用 o p t i s y s t e m 搭建硅基高速有效传输系统的仿真平台，实现了1 0g b i 6 s 基于硅基微 环调制器不同调制格式传输系统的模拟，研究了电学结构对系统性能的影响，为 i i i 浙江大学博士学位论文 实现高速较大规模集成打下了理论与实验基础。 该仿真平台同样适用其他硅基光子集成器件。 关键词集成光学、硅基光子学、光互连、高速光通信、载流子色散效应、 光开关、光调制器 i v a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ee f f e c t so fi n c r e a s i n gp o w e rc o n s u m p t i o nw i r ed e l a ya n dm e m o r y l a t e n c y , m u l t i p l ep r o c e s s o rc o r e so na d i ec o u p l e di nv a r i o u sw a y sa r eu s e di nm o d e m p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e st om a k eu s eo fd a t a a n dt h r e a d l e v e lp a r a l l e l i s m p h o t o n i c n e t w o r k s o n c h i p ( n o c ) a r c h i t e c t u r e s a n dh i g h - s p e e d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s c a p a b l eo fa c h i e v i n ge f f i c i e n t c o n n e c t i o na m o n gc o r e sa n dm e m o r i e si nc h i p m u l t i p r o c e s s o r s ( c m p ) a r ec u r r e n t l ys t u d y i n g a st h ep r e v a i l i n gt e c h n o l o g y , s i l i c o n p h o t o n i c sp r o v i d e s a na t t r a c t i v e o p t i o n f o r r e a l i z i n gl o w - l o s s ，c h i p 。s c a l e a n d c m o s c o m p a t i b l eo p t i c a li n t e r c o n n e c t sa n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s s o ，i nt h i st h e s i s ，s i l i c o no p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sa n ds y s t e m sb a s e do nt h e f c de f f e c ti st h e o r e t i c l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sa r ea sf c l l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt os t u d yh o wf c d e f f e c ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r g r a t e d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m s ，ar e a s o n a b l ee l e c t r i c a lm o d e l i sn e e d e dt ob u i l d u p at w o - d e m e n s i o n a ls i m u l a t i o np a c k a g e ，a t l a sf r o m s i l v a c o ，w a se m p l o y e dt o a c h i e v et h ee l e c t r i c a lc a l c u l a t i o n s t h e na c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，f d ( f i n i t e d i f f e r e n c e ) n u m e r i c a lm e t h o dw a sa d o p t e dt o c a l c u l a t ea n da n a l y s i st h e c h a n g e so ft h ee q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e x 、l o s sa n df i e l d f i n a l l y , p h o t o n i cd e v i c e s w i t ht h es a m es t r u c t u r ew e r eu s e dt oe x p e r i m e n t a l l yr e v i s et h es i m u l a t i o np a r a m e t e r s ( 2 ) a sak e yc o m p o n e n tf o rr e a l i z i n gn o c s ，t h eo p t i c a ls w i t c h s h o u l dh a v ea b r o a db a n d w i d t h ，al o wc r o s s t a l kl e v e l ，af a s ts w i t c h i n gs p e e d i nt h i st h e s i s ，o nt h e b a s i so ft h ec a r r i e rd i s p e r s i o ne f f e c ta n dt h ee l e c t r i c a lm o d e l ，w ed e s i g n e da n d d e m o n s t r a t e dt h em a c h z e n d e r - b a s e do p t i c a ls w i t h e s 、o p t i c a ls w i t c h m a t r i xa n d o p t i c a ls w i t c h i n gm o d u l ef a b r i c a t e db ya0 8 - b ms t a n d a r dc o m m e r c i a lc m o s l i n e t h e2 x 2n o n b l o c k i n gs w i t c hm a t r i xh a sl o wc r o s s t a l kl e v e ll e s st h a n - 16 1d ba n da c o m m o ns p e c t r a lb a n d w i d t ho f3 5 n m t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e2 x 2s w i t c h i n g e l e m e n t si sa sl o wa s1 4 0m w t h es w i t c h i n gm o d u l eh a sac r o s s t a l kl o w e rt h a n - 11 8 d bu n d e rac o m m o ns p e c t r a lb a n d w i d t ho f4 0 n m v 浙江大学博士学位论文 ( 3 ) w eb u i l d e du pt h em o d e l so fo p t i c a lf u n c t i o n a ld e v i c e s ，w h i c hw e r eb a s e do n t h em i c r o 。r i n gr e s o n a t o r t h e n ，t h em o d e l sw e r ee m p l o y e di nf o r m i n gas i l i c o n b a s e d h i g h 。s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m o nt h i sp l a t f o r m ，10 g b i t ss i l i c o n b a s e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m su s i n gd i f f e r e n tm o d u l a t i o nf o r m a t s w e r ea c h i e v e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ef c di nt h e s es y s t e m sw e r ea n a l y z e d t h e s i m u l a t i o np l a t f o r mi sa l s oa p p l i c a b l et oo t h e rs i l i c o n - b a s e di n t e g r a t e d p h o t o n i c d e v i c e s k e y w o r d si n t e g r a t e do p t i c s ，s i l i c o np h o t o n i c s ，n e t w o r k s - o n - c h i p ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，f r e ec a r r i e rd i s p e r s i o ne f f e c t ，s w i t c h ，m o d u l a t o r v i 致谢 致谢 时光荏苒，岁月如梭，昔日年华悄悄地流逝。当第一次踏入位于西子湖畔的求是园时， 内心充满了无限的遐想与希冀。而今，即将挥手告别，感慨万千。回首一路走来的路途，满 满的收获，千言万语难以用“感谢”二字来概括。谢谢曾经帮助过，关心过，责备过我的人， 正是这些力量一直支撑着我走到现在。 “师者，所以传道受业解惑者也。”这是对教师职业的解释即教授知识，指点迷津。正 是教师十几年如一日地坚守在岗位上无私奉献才有学子的辉煌成就。“春蚕到死丝方尽，蜡 炬成灰泪始干。”这句千古流传的诗句正是对教师伟大精神的歌颂。在此，我首先要感谢的 是德高望重，博学多闻的王明华教授。在科研上他以严谨的科学态度，丰富的学术知识指导 着我在科研道路上不断的前行探索。同时，在生活方面学到则是王老师对生活的一种从容与 豁达态度。而这些所有的宝贵经验将会一直引导着我行走的更远。 再者，要感谢的是杨建义教授。人们向来喜欢把教师比喻成园丁，替花草施肥，灌溉， 修剪杨老师秉承的正是这种如园丁一般不辞辛劳的教育精神。感谢德才兼备的江晓清 教授、周强副教授、李锡华副教授、郝寅雷副教授、张国荣老师、朱月莲师傅多年来的悉心 栽培和关心照顾。 “海内存知己，天涯若比邻”友情好比冬日的阳光温暖你的心房，分享你的喜悦，分担 你的困难，几年间也结交了许多朋友，在此我要感谢实验室的成员们：余辉、周海峰、王帆、 戚伟、肖司淼、祁彪、郑伟伟、毛晓丹、刘仕景、陈献、王嘉明、蒋峰、葛陆泉、魏玉欣、 王皖君、赵勇、贾文健、李陈刚、赵佳特、王翔、邱晨、陈瑞宜、涂国辉、向微、江舒杭、 姜国敏、白刃、谷金辉、王欢、李国熠、喻平、徐超、杨冰、郑斌、郭伟峰、张鹏、肖熠、 彭志鑫、董少杰、唐树明、胡挺、邱晖晔、邵海峰、沈奥、裴重阳、张滨、鲁虹伟、周建雄、 张文、王国强、洛康城、檀亚松、潘宏彬、李霞、赵昌云、魏兵、石伟丞、金亿昌、钟滕慧、 胡科可、刘云龙等。 同时也要感谢同寝室的室友们：李辉、廉玉平、许乐、孔韵娜 人的一生就像是漂泊在海上的一叶孤舟，时而处于风口浪尖，时而被狂风巨浪拍打的难 以翻身，家就像你永远的避风港，无论在什么时候都能给你最温暖的慰藉。因此，我要感谢 的是我的家人，是你们的信任，宽容，理解，和无微不至的爱才造就如今的我，有你们的一 如既往的支持相信未来的人生会更加的精彩。 最后，感谢参加论文评审和答辩的各位专家，谢谢。 “致谢”并不是简单的两个汉字而已，其背后所包含的是对过去经历的感恩和未来的期 待，带着不舍和感恩再次整装出发。 浙江大学博士学位论文 i i 图目录 图目录 图1 12 0 0 9 年光子器件的市场份额与增长速度【3 1 1 图1 2 硅基无源器件【9 】1 4 1 ：( a ) 波导阵列光栅a w g ( b ) 悬臂式耦合器( c ) 偏振分离 器3 图1 3 自2 0 0 4 开始，硅基光子学取得的一些成果【1 9 】【2 9 】，【3 6 1 3 图1 4 器件单元的阵列似3 0 】- 3 5 1 4 图1 55 0 g b i t s 数据传输速率的硅光子连接 3 6 1 5 图1 6i b m h o l e yo p t o c h i p 兀、4 心4 - 片原型图【37 1 6 图1 7 常见的三种不同载流子色散效应利用机制【4 2 1 7 图1 8 两种提升光开关的带宽方式【4 4 】 【4 5 1 8 图1 9 硅基光开关研究发展过程中的几个重要节剧4 3 】【2 0 】【5 2 】【5 3 1 9 图1 1 0 硅基光调制器研究发展过程中的几个重要节蒯1 9 】【2 3 】【删【7 1 1 1 0 图2 1p i n 结结构示意图2 2 图2 2m o s 结构示意图2 4 图2 3b m f e t 结构示意图2 4 图2 4 反向p n 结( 横向) 结构示意图2 5 图2 5 有限差分法示意图【2 6 1 2 7 图2 6 p i n 电学结构：脊波导截面为3 4 0n m x 4 0 0a m 2 8 图2 7 加载1v 电压下，p i n 结的伏安特性2 8 图2 8 p i n 结在1v 电压下，内部载流子分布图2 8 图2 9 p i n 结上加载的电压同引起等效折射率变化( 厶”。矿) 和吸收系数变化( 4 a ) 的关系2 9 图2 1 0 ( a ) c e 压为0 v 下的光场分布( b ) d e 压为1v 下的光场分布2 9 图2 1 1 加载的方波信号3 0 图2 1 2 p i n 结加载方波信号后，等效折射率变化( z l n e f f ) 一3 0 图2 1 3 ( a ) 基p i n 结m z i 的静态仿真结果( b ) 基p i n 结m z i 的静态实验结果 31 浙江大学博士学位论文 图2 1 4 ( a ) 基i f - p i n 结m z i 的速度仿真结果( b ) 基于- p i n 结m z i 的速度实验结果 ：；1 图2 1 5 反向p n 电学结构：脊波导截面为3 4 0n m 4 0 0a m 一j 3 2 图2 1 6 反向p n 结上加载的电压与引起等效折射率变化( 4 玎) 3 2 图2 1 7 加载在反向p n 上周期为0 2a s 的方波信号3 3 图2 1 8 加载周期为0 2n s 方波作用下，反向p n 结的等效折射率变化( n e e ) 3 3 图3 1m z i 结构原理示意酬1 1 1 一4 0 图3 2 电压引起电光效应下，m z i 传递函数曲线【2 3 1 一4 1 图3 3 光开关的p i n 结构4 2 图3 4 p i n 电学结构下的电压( 场厅呼) 与等效折射率( n e o ) 4 2 图3 5p i n 电学结构下的时间( t i m e ) 与等效折射率( 聆万) 4 3 图3 6 设计的1 x 2m m i 及2 x 2m m i 4 4 图3 7 设计的l x 2m m i 仿真情况4 4 图3 8 设计的2 x 2m m i 仿真情况4 4 图3 9 基于m m i 的马赫曾德尔干涉器结构图：( a ) 2 x 2m m i m z ；( b ) 1 x 2 m m i m z z i ! ； 图3 1 0 无阻塞2 x 2 光开关阵列4 5 图3 1 14 端口开关模块4 6 图3 1 2 基于士兰集成的工艺线的版图4 7 图3 1 3 工艺流程：( a ) 准备硅片；( b ) 刻蚀脊波导；( c ) 热氧；( d ) 形成重掺杂n + 区；( e ) 形成重掺杂p + 区；( f ) 淀积二氧化硅；( g ) 形成通孔；( 1 1 ) 金属化并形成电极4 8 图3 1 4 士兰集成的工艺线制作的结果：( a ) 制作完成后的晶片；( b ) s e m 结果一4 9 图3 1 5 磨片机5 0 图3 1 6 点焊机5 0 图3 1 7 基于端面耦合的测试系统5 1 图3 1 8 基于士兰集成的工艺线的p i n 结的v - i 特性5 1 图3 1 91 x 2 m m i m z 光开关的单波长扫描曲线测试结果5 2 图3 2 02 x 2 光开关的单波长扫描静态特性曲线测试结果5 2 x 图目录 图3 2 l 士兰集成的工艺线制作的光开关单元的速度测试结果5 2 图3 2 24 x 4 光开关阵列1 6 条路径扫谱图5 3 图3 2 32 x 2 非阻塞光开关阵列3 端1 2 输入l 、3 输出口输出5 4 图3 2 42 x 2 非阻塞光开关4 条路径扫谱图5 4 图3 2 52 x 2 非阻塞光开关速度测试图5 5 图3 2 64 端口光开关模块9 条路径扫谱图一5 6 图3 2 74 端口光开关模块速度测试图5 7 图4 1 单环单总线耦合的微环谐振腔的结构示意图( a ) 及原理图( b ) 6 4 图4 2 双总线耦合的微环谐振腔的结构示意图( a ) 及原理n ( b ) 6 5 图4 3 基于硅基单波导耦合单环的调幅实现，6 7 图4 4 基于硅基单波导耦合单环的调相实现，6 7 图4 5 在方波电压1v ( 0 1 0 1 1 0 1 1 1 ) 作用下，6 9 图4 6 在方波电压lv ( 0 1 0 1 1 0 1 1 1 ) 作用下，幅度调制的实现6 9 图4 7 在方波电压( 0 1 0 1 1 0 1 1 1 ) 作用下，相位调制的实现7 0 图4 8 双波导耦合单环谐振腔的传输曲线7 l 图4 9 双波导耦合双环谐振腔：( a ) 示意图( b ) 原理图7 1 图4 1 0 双波导耦合双环谐振腔d r o p 端传输曲线7 2 图4 1 1 各种调制格式频谱图【3 9 1 ( a ) n r z o o k ( b ) r z o o k ( c ) 6 7 c s r z o o k 。 ( d ) d b 7 3 图4 1 2 基于硅基微环高速传输系统框架图7 4 图4 1 31 0 g b i t s 基于硅基微环n r z 传输系统模型图7 4 图4 1 4 系统各模块的时域和频谱图，( a ) 、( b ) 为输入的伪随机码；( c ) 、( d ) 为光调 制器后的7 5 图4 1 51 0 g b i t s 硅基微环b p s k ( d p s k ) 传输系统模型图7 6 图4 1 6 系统各模块的时域和频谱图，( a ) 、( b ) 为输入的伪随机码；( c ) 、( d ) 为相关 编码后的7 7 图4 1 71 0 g b i t s 硅基微环d b 传输系统模型图7 8 图4 1 8 系统各模块的时域和频谱图，( a ) 、( b ) 为输入的伪随机码；( c ) 、( d ) 为相关 x i 浙江大学博士学位论文 编码后的7 9 图4 1 9 眼图的模型8 0 图4 2 0 基于硅基微环1 0 g b i t s n r z 传输系统眼图8 l 图4 2 l 基于硅基微环1 0 g b i t sd p s k 传输系统眼图8 1 图4 2 2 基于硅基微环1 0 g b i t sd b ( 单环滤波) 传输系统眼图8 2 图4 2 3 基于硅基微环1 0 g b i t sd b ( r w 隔滤波) 传输系统眼图8 2 图4 2 4 基于硅基微环1 0 g b i t sd b ( 高斯滤波) 传输系统眼图8 3 x i i 表目录 表目录 表1 1 硅材料在通信波长处的调制物理效应 15 1 2 表1 2 近年来不同光开关结构的结果比较。8 表1 3 近年来不同调制器结构的结果比较1 0 表2 1 仿真的模型定义2 6 表3 1 无阻塞2 2 光开关阵列的物理路径4 6 表3 24 端口光开关模块的物理路径4 7 表3 32 2 非阻塞光开关静态性能统计5 5 表3 44 端口光开关模块静态性能统计5 7 表4 1 基于各传输格式的1 0 g b i t s 系统性能q 值8 3 浙江大学博士学位论文 x i v l 绪论 1 绪论 1 1 引言 通信的本质在于信息的传输与交换。随着人类社会的发展，人们对信息量的 需求不断增加，传统的互连和通信带宽已不能满足人们的需要，而光作为目前最 理想的信息载体，高速、大容量、低损耗的光纤通信正逐步取代电缆和微波通信 【1 】 o 自从1 8 8 0 年贝尔发明“光电话”的光通信系统【2 1 ，证实光波可作为信号载波 以来，至今光通信还处于“电处理电光转换光传输光电转换电处理”这一阶 段。为了要实现高效、高速的全光网络，作为光传输层的核心，决定着光通信和 光网络的性能的光子器件需要跟进发展。图1 1 为2 0 0 9 年光子器件的市场份额 以及增长速度【3 1 。现在的光子器件不仅仅应用于长距离的光通信，还涉及了数据 存储、光互连、生物传感等领域，并往集成化方向发展。 【m 1 ( - w * 。b v t ：| ，”i 图1 12 0 0 9 年光子器件的市场份额- 9 增长速度3 1 集成光学的概念最早于1 9 6 6 年由贝尔实验室的t a m i r 和m i l l e r 提出【4 】。即 把以光波导为基础的无源和有源器件在同一片衬底上集成，使其变成具有整体功 能的光学通路。半导体光电子集成以半导体为基片，以集成为手段，以光信息为 载体，以光速为传输速度，具有集成度高、信息量大、速度快等独特的性能和作 用5 1 。若从材料结构方向来划分的话，可以分成三个类别：单片集成、混合集成 浙江大学博士学位论文 以及介于两者之间的准混合集成。一般从制作工艺和工作稳定性等方面考虑的话， 会优先选择单片集成，但不同的材料有不同的优势功能，所以混合集成也是未来 的一个重要方向。现在光电子器件所采用的光学材料有铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、二氧 化硅( s i 0 2 ) 、i i i v 族化合物半导体材料( g a a s 等) 、有机聚合物( p m m a 等) 、 硅以及锗等。与其他材料相比，硅材料有着其得天独厚的优势：首先，它是地壳 中含量第二大的化学元素【6 】，其次，基于硅基的光电子集成工艺可与已经商业化 的互补金属氧化物半导体晶体管( c m o s ) 工艺实现兼容。因此硅材料被公认为 是最有发展潜力的集成光学材料，而对基于硅基的光电子器件及系统的研究探索 具有重大而又深远的意义。 1 2 硅基光子学的研究现状 硅作为光学材料的研究可以追溯至2 0 世纪7 0 年代【7 】。到了8 0 年代，r a s o r e f 等人从实验和理论上证实了硅单晶在光纤通讯波段( 1 3 m 1 6p m ) 是 透明的【8 】，可以通过载流子的注入或抽取的方式来实现折射率调制。同时硅是一 种高折射率材料，适合制作紧凑的无源器件【9 】【1 4 1 。但是与其他光学材料相比， 譬如i v 族化合物材料、铌酸锂材料以及石英材料，硅材料研究发展进程十分 缓慢，其干扰因素主要有两个方面：首先，与i i i v 族化合物材料直接带隙材料 不同，单晶硅属于间接带隙半导体材料，难以发光。第二，硅是对称结构晶体， 没有线性的电光效应，难以进行高速的电光调制。 表1 1 硅材料在通信波长处的调制物理效应【1 5 1 l 绪论 j g ； l t = ，= - ，i r e f k - c t o r |i r q x tw i w g u 帆 7 是：= 遗7 铲一 一1 ，：b 。= 。： 忠t j 童二” d - - i i - 一一 - _ u - r - - ，1 ，7 。” ( t ) 饔蠢霾麓 l 藤：_ t f ) 图1 2 硅基无源器件阱：( a ) 波导阵列光栅a w g ( b ) 悬臂式耦合器( c ) 偏振分离器 疆 ( d ) 功分器( e ) 微环滤波器( f ) 耦合光栅 l i i s 1 ：i m 、 o q ( o n l p a f ! h 、b r i d , i i l i c o nm i c r o r i n 0 8 3 4 0 ( ；，：c ，“a l a n c h cp h o t o d i o d e i h li t r a l o - c n e r g 、；c i ：、m ( x h n l a t o r 0 7 4 0 ( ；b p ss i l i c o nm o d u l a t o r i ( ；_ i h a s s i l i c o nc 、a o t s c e n li a s e r 一皇“ _ _ 12 1 1 6 o p u c a ls i l i c o nb u f f e r s i f 。o p t i c a ls i l i c o na n l p l i f i e ru s i n l ：r 、t 5 、l i c r o m e l e ! s c a l es i l i c o nn l o d u l u l o r 0 5 r a m a n 、i l i c m li h r r a l lo p t i c a ls i l i c q m i t c h “f i r l ( ：，i l i o nn 1 i u l a l o r 图1 3 自2 0 0 4 开始，硅基光子学取得的一些成果1 9 1 2 9 m 6 1 口一丢；i一最_：0 暑三口!。口，-t t t _ 、 “ l d 中舭 en - 4 ， 2 刊 浙江大学博士学位论文 随着人们对硅材料物理特性认识的提高，硅基光子学也得到了快速发展。自 2 0 0 4 年开始，硅基光子学的研究不断地取得了重要突破性研究成果，包括光调 制器、光开关、光源、光放大器、光探测器以及光缓存等。首先是i n t e l 发布了 调制带宽超过1g h z 的硅调制器【1 9 1 ，其次，同年康奈尔大学在( ( n a t u r e 上发表 了基于硅基微环的全光开关【2 0 1 。2 0 0 5 年1 月和2 月，i n t e l 依次公布了基于r a m a n 效应的硅基脉冲激光器和基于r a m a n 效应的硅基连续激光器】，【2 2 1 。2 0 0 5 年5 月， l i p s o n 教授的研究小组公布了基于p 加的硅基微环光调制器【2 3 1 2 0 0 6 年6 月， 康奈尔大学利用硅基四波混频效应实现了光放大【2 4 1 。9 月，i b m 推出了基于硅基 微环的光缓存2 5 1 ，以及i n t e l 报道了一种电泵浦的硅基混合激光器2 6 1 。2 0 0 7 年， i n t e l 叉将基于硅基m a t h z e n d e r 光调制器的数据传输速度提升至4 0g b i t s t 2 7 1 。 2 0 0 8 年，m i t 报道了一种g h z 的锗硅电吸收调制器2 引2 0 0 9 年，i n t e l 推出了 增益带宽为3 4 0 g h z 的g e s i 雪崩光电二极管( a p d ) 探测器2 9 1 。 d 、u 弛 _ _ = = 卜 王 = ：卜 ； = ：卜一： ：= = 二l 一! 兰。 ： 一 = ：卜一 工 _ ，_ 专 h 1h 2 图2 5 有限差分法示意图【2 6 】 石= 卅扛) = 们) 一五1 扩( o ) + 五1 彬2 ( o ) 一虿1 彬3 ( o ) + o ( h 。4 ) ( 2 1 】) 以= 厂( 也) = 们) + l 11 h ：( o ) + 五1 | j 1 2 2 广( o ) + 夏1 彬( o ) + o ( h ：4 ) ( 2 1 2 ) ) ( 0 ) 2 糕+ 圭( 吃圳广) ( o ) + o ) ( 2 - 1 3 ) 经近似后，一阶微分表达式为： 广) ( 0 ) 2 糕 同理可得，二阶微分近似表达式为 ，r ：( o ) ：2 丝二亟丝2 五刍五( 2 - 15 ) 。、7 啊( 啊+ 吃) 2 2 2 2 基于p i n 结静态和动态性能仿真分析及实验验证 基于p i n 结的集成光子器件具有调制效率高、结构简单紧凑以及易于制作的 优点，因此本章首先研究的是这种结构，如图2 5 所示。利用s i l v a c o t 2 5 】的器件 仿真工具a t l a s 对该p i n 结构进行静态和动态仿真，并通过基于该结构的m z i 实 验验证该仿真系统的可行性 图2 6 所示的结构是根据工艺特征尺寸而设计的各个参数，而这些参数选择 均满足单模条件7 卜 引。其中，s o i 材料的顶层硅厚度为0 3 4i t m ，二氧化硅的厚 度为2g m 。单模波导典型的参数如下：波导宽度为0 4g m ，刻蚀深度约0 2 6l a m 。 浙江大学博士学位论文 重掺杂的p + 、n + 区的浓度均为1 1 0 1 9 c m 3 ，目的在于为了可以形成良好的欧姆 接触。由于中芯国际的工艺可以做到d 却最小为0 21 l t m ，实验时p 砌结构的d a o p 为0 5g m ，所以仿真中将对d 却取值与实验一致，以便对比。 2 8 a i 卜。掣。7 _ i l i p 1 ，：jj t t h 1 1 ) s i 图2 6 p i n 电学结构：脊波导截面为3 4 0n l t lx4 0 0n i l 3 二= c u r r e n t ( m a ) 5 0 孑加 e 芒 3 0 o 8 2 0 1 0 0 0 00 20 40 60 81 0 v o l t a g e ( v ) 图2 7 加载1v 电压下，p i n 结的伏安特性 图2 8 p i n 结在lv 电压下，内部载流子分布图 2 硅基载流子色散效应及光子集成器件电学结构的仿真 图2 7 所展示的是在p i n 上加载1v 电压下，该结构的伏安特性。同时p i n 结在1v 电压下的内部载流子浓度分布如图2 8 所示。利用仿真工具a t l a s 对该 p i n 结进行静态仿真后，根据不同的注入电流下，p i n 结结构内的载流子分布发生 不同的改变，将其导出后，再利用f d 数值计算方法以及式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 计算不同 电流下的等效折射率变化( 4 船。矿) 和产生的吸收系数变化( 4 仅) 。等效折射率 变化( z a n 。f f ) 和吸收系数变化( 么a ) 同注入电压的关系如图2 9 所示： 邕 o c c 图2 9 p i n 结上加载的电压同引起等效折射率变化( z a n e f f ) 和吸收系数变化( 4 傀) 的关系 42o123 蝴d 。f p m ) ( 叠) 3- 21023 w i d e ( p r o l ( b ) 泌 l 篡 鎏 一篡 图2 1 0 ( a ) 电压为0v 下的光场分布( b ) 电压为iv 下的光场分布 一 一 一 一 一 浙江大学博士学位论文 图2 1 0 所示的是p i n 结在电压作用下，光场分布的变化。从图可以看出，在 电压作用下，光场分布有向两边扩散的趋势。 巧l 图2 1 1 加载的方波信号 若加载图2 1 1 所示的方波信号，等效折射率变化( 厶，l ) 和吸收系数变化 ( 4 口) 随时r , - - j 变化如图2 1 2 所示。 型 0 0 1 o x l o 。 2 o x lo 3 - 一 7 3 0 x 1 0 3 q - 4 0 x l0 。 5 0 x l0 1 。 - 6 0 x 10 。 01 02 03 04 05 06 07 0 t i m e ( n s ) 图2 1 2 p i n 结加载方波信号后，等效折射率变化( 4 以咿) 和吸收系数变化( 4 口) 随时间( 1 i m e ) 变化 2 2 2 3 基i f - p i n 结实验验证 本部分将用同样参数下基于p i n 的m z i 实验验证仿真结果。通过利用a t l a s 2 硅基载流子色散效应及光子集成器件电学结构的仿真 仿真结果及f d 数值方法，再结合如式( 2 1 6 ) 所示的m z i 传递函数，可以得到基 于p i n 的m z i 功率随时间变化的仿真结果，具体如图2 1 3 ( a ) 所示，图2 。1 3 ( b ) 是同样结构下的实验结果。其中，式( 2 1 6 ) 中的a 为吸收系数，单位为c m 一， l 为m z i 的干涉臂的长度，a n e g 为有效折射率的变化，a 为工作波长。图2 1 4 ( a ) 为基于p i n 的m z i 速度的仿真结果，而图2 1 4 ( b ) 为同样结构下的速度测 试结果。由于实验中探针以及导线等因素引起r c 参数增大，使得测试时测得的 速度比仿真要慢些，但从图2 1 3 和图2 1 4 的理论与实验对比可以发现，仿真与 实验结果基本上是统一的，这也证实了本电学结构仿真系统的可行性，为将来设 计集成光子器件从物理层面上优化参数提供了平台。 k ：委【1 + e 一吐+ 2 e 号c o s ( 孚竽) 】( 2 - 1 6 ) 5051 01 52 02 5- 5051 01 5 c u r r e n td e n s i t y ( m a p m ) c u r r e n td e n s i t y ( m a j p m ) ( a ) ( b ) 图2 1 3 ( a ) 基 j f i p i n 结m z i 的静态仿真结果( b ) 基于- p i n 结m z i 的静态实验结果 e 卫 r & 芎 量 3 o 篡 1 o 0 1 8 20 r t ，r ，r ，1 ，1 r 1 r 1 r t r - - ，1 t i m e ( n s j ( b ) 图2 1 4 ( a ) 基 于p i n 结m z i 的速度仿真结果( b ) 基于p i n 结m z i 的速度实验结果 浙江大学博士学位论文 2 2 2 4 基于反向p n 结的仿真分析 由于p i n 结构的速度受限于载流子的产生与复合，当要设计高速集成光子器 件时，譬如高速数据传输时需要的高速电光调制器，p i n 结构将不能很好的满足 器件的要求，因此本节将反向p n 结作为研究