基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器-毕业论文

中北大学学位论文 基于基于 SOI 脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器 摘 要 随着光通信技术的飞速发展，高密度集成、高可靠性、智能化和低成本的集 成光互连网络成为光通信系统的发展方向， 光互连代替电互连成为了一种必然趋 势。 由于光子器件可以突破摩尔定律的限制，在增加数据传输量和传输速率的同 时，还具有节省功耗、防止频率串扰的优点；不仅能保证长距离互连的密度、数 据传输的准确性，还能实现超小尺寸器件的大规模集成， 成为了目前国内外的研 究热点。绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）材料的高折射率差、光场局域 能力强、波导的弯曲损耗小，有利于制备超小尺寸的器件结构。此外，SOI 材料 与 CMOS 工艺兼容，可实现集成光子器件的高密度集成、超小型化、批量化生 产。基于 SOI 材料的光学谐振腔在滤波、光开关、调制器、探测器等集成光互 连网络主要部件中具有广泛应用。然而，基于跑道型谐振腔的电光调制器相关研 究较少。因此，本文顺应硅基集成光互连网络的发展趋势，针对网络中的重要功 能器件电光调制器，开展了基于 SOI 脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器的 相关研究，充分利用了跑道型谐振腔长耦合区域的优势，有效提高了调制器的消 光比、调制深度以及调制速率等性能。 本文利用 Rsoft 和 FDTD 仿真软件对脊型波导的单模态及光场在跑道型谐振 腔内的传输情况进行了仿真， 并分析了跑道型谐振腔的谐振特性以及独特的模式 分离特性，设计了调制器的光学结构。分析了 P-I-N 结的导电机理以及等离子体 色散效应，确定了载流子浓度变化与波导折射率系数变化的相互关系，并利用 Silvico TCAD 软件对 P-I-N 结的 I-V 特性进行了仿真， 确定了基于 SOI 脊型波导 的跑道型谐振腔电光调制器的电学结构参数。然后根据设计的跑道型谐振腔及 P-I-N 结结构参数， 结合 MEMS 加工工艺， 制备出了完整的基于 SOI 脊型波导的 跑道型谐振腔电光调制器芯片。进行了 SOI 脊型波导跑道型谐振腔的谐振特性 及模式分离特性测试，调制器的静态频移特性及动态响应特性测试。通过实验验 证了制备出的调制器性能良好， 并与同一批加工制备出的环形谐振腔电光调制器 进行了对比（环形谐振腔与跑道型谐振腔的周长近似相等） ，发现跑道型谐振腔 的模式分离特性确实有效提高了调制器的消光比、调制深度以及调制速率等性 中北大学学位论文 能：在 1MHz 频率时，跑道型谐振腔调制器对应的消光比为 6.99 dB、调制深度 为 80%、上升时间为 29ns、下降时间为 67ns；环形谐振腔调制器对应的消光比 为 1.52 dB、调制深度为 36%、上升时间为 41ns、下降时间为 72ns。虽然本文中 所制备的调制器未达到最为理想的性能指标， 其在设计方面的创新性为电光调制 器以及谐振腔的其他应用都提供了新思路。 关键词关键词：SOI 材料，脊型波导，跑道型谐振腔，模式分离特性，电光调制器 中北大学学位论文 The Electro-optical Modulator Based on SOI Rib Waveguide Racetrack Resonator Abstract With the rapid development of the optical communication technology, the integrated optical interconnection network with high-density integration, high reliability, intelligence and decreasing cost has become one crucial direction of the optical communication systems. It is an irresistible trend for optical inter connection replacing the electrical interconnection. Solving the limitation of the Moores Law, photonic devices possess more transmission quantity and higher transmission speed with lower power consumption and without frequency crosstalk. Besides, photonic devices have become highlights because they can guarantee the density of remote interconnection and the accuracy of data transmission, while realizing large-scale integration with ultra-small footprint. Silicon-on-Insulator (SOI) material is beneficial to fabricate ultra-small footprint devices because of its high refractive index difference, strong confinement of optical filed and low waveguide bending loss. Moreover, SOI material is compatible with the CMOS process, which means the ultra-small photonic devices can be highly integrated and mass produced based on the SOI material. The optical resonator based on SOI material is widely used as important elements of integrated optical interconnection networks, such as, filters, optical switches, modulators, detectors and so on. However, the research on race-track resonator electro-optical modulator is relatively less concerned. Therefore, this paper has developed an electro-optical modulator based on SOI rib waveguide race-track resonator, which fully takes advantage of the long coupling region of the race-track resonator and effectively promotes the extinction ratio, modulation depth and rate of the modulator. In this work, the single mode of rib waveguide and the optical field propagation within the race-track resonator were simulated by Rsoft and FDTD software, respectively. The resonance and the mode splitting characteristics of the race-track 中北大学学位论文 resonator were analyzed, based on which the optical structures were designed. The conductive mechanism of the P-I-N junction and the plasma dispersion effect were analyzed, thus, the interrelation between the carrier concentration changes and refractive index coefficient changes was confirmed. The electrical structure parameters of modulator were determined after the I-V characteristic of the P-I-N junction was simulated via Silvico TCAD software. Utilizing the MEMS process, the integral device of electro-optical modulator based on SOI rib waveguide race-track resonator was fabricated with the designed parameters. After the testing, it is demonstrated that the race-track resonator and the modulator based on performance well. With further analyzing, it is obvious that the mode splitting characteristic of the race-track resonator can be detected and it indeed promotes the performances of the modulator effectively, such as extinction ratio, modulation depth and rate. More specific, when the modulation frequency is 1MHz, the extinction ratio is 6.99 dB, the modulation depth is 80%, rising time is 29ns and falling time is 67ns for race-track resonator modulator, while the extinction ratio is 1.52 dB, the modulation depth is 36%, rising time is 41ns and falling time is 72ns for ring resonator modulator. The experiment results indicate that the mode splitting of the race-track resonator is beneficial to the modulator as well as other applications of the optical resonators and provides a new idea for the design, although the modulator did not performance ideally. Keywords：SOI, Rib waveguide, Race-track resonator, Mode splitting characteristic, Electro-optical modulator 中北大学学位论文 中北大学学位论文 I 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1.1 本课题研究的背景本课题研究的背景 1 1.2 谐振腔的国内外研究现状谐振腔的国内外研究现状 2 1.3 调制器的国内外研究现状调制器的国内外研究现状 5 1.4 本文的主要研究内容及意义本文的主要研究内容及意义 7 第二章第二章 SOI 脊型波导跑道型谐振腔分析脊型波导跑道型谐振腔分析 9 2.1 SOI 脊型波导的特性分析脊型波导的特性分析 9 2.1.1 脊型波导中的传输模式分析脊型波导中的传输模式分析 9 2.1.2 脊型波导的模式仿真脊型波导的模式仿真 11 2.1.3 脊型波导的偏振相关性脊型波导的偏振相关性 13 2.2 跑道型谐振腔模式分离特性分析跑道型谐振腔模式分离特性分析 14 2.3 本章小结本章小结 16 第三章第三章 调制器电学结构的分析设计调制器电学结构的分析设计 17 3.1 P-I-N 结简介结简介 17 3.2 等离子体色散效应等离子体色散效应 19 3.3 P-I-N 型调制器仿真分析及结构设计型调制器仿真分析及结构设计 22 3.4 本章小结本章小结 24 第四章第四章 跑道型谐振腔调制器的加工制备跑道型谐振腔调制器的加工制备 25 4.1 关键工艺介绍关键工艺介绍 25 4.1.1 光刻光刻 25 4.1.2 电子束光刻电子束光刻 25 4.1.3 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 25 4.1.4 离子注入离子注入 26 4.1.5 退火退火 26 4.1.6 电子束电子束蒸发蒸发 27 4.2 跑道型谐振腔调制器的整体加工制备过程跑道型谐振腔调制器的整体加工制备过程 27 中北大学学位论文 II 4.2.1 P-I-N 结的制备过程结的制备过程 27 4.2.2 波导结构的制备过程波导结构的制备过程 28 4.2.3 绝缘层淀积及电极窗口腐蚀绝缘层淀积及电极窗口腐蚀 29 4.2.4 高温退火高温退火 29 4.2.5 金属电极制作及引线键合金属电极制作及引线键合 30 4.3 本章小结本章小结 30 第五章第五章 调制器测试结果分析调制器测试结果分析 31 5.1 跑道型谐振腔测试结果分析跑道型谐振腔测试结果分析 31 5.2 调制器静态特性测试调制器静态特性测试 33 5.2.1 调制器频移特性测试调制器频移特性测试 33 5.2.2 调制器调制器 P-I-N 结特性测试结特性测试 34 5.3 调制器动态特调制器动态特性测试性测试 38 5.3.1 动态特性测试过程动态特性测试过程 38 5.3.2 动态特性测试结果分析动态特性测试结果分析 39 5.4 本章小结本章小结 40 第六章第六章 总结与展望总结与展望 41 6.1 论文主要研究工作及创新性论文主要研究工作及创新性 41 6.2 下一步工作及未来研究方向下一步工作及未来研究方向 42 参考文献参考文献 43 攻读硕士学位期间的研究成果攻读硕士学位期间的研究成果 错误!未定义书签。 致致 谢谢 错误!未定义书签。 中北大学学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 本课题研究的背景本课题研究的背景 二十一世纪，随时光信息技术的迅速发展，人类已经从电气化时代进入到了 信息化时代。如今，信息技术已经广泛应用于日常生活、教育、交通、国防等各 个领域中，而且人们迫切地需求信息量大、信息处理及信息传输速度快的信息技 术网络1-2。这就对现在的集成电路及电子器件等提出了数据存储容量更大、处 理速度更快和传输速率更高的要求。这对于集成电路来说，就是需要在有限的空 间内集成更多的晶体管、芯片等。虽然现在的微处理器采用多核处理技术以及集 成更多的电晶体数目（根据摩尔定律，目前微处理器已经可以容纳近 40 亿个电 晶体了） ，其处理速度也一直有所提升，但是以电子器件作为信息载体传统集成 电路受到载流子迁移率、RC 延迟、功耗散热问题、尺寸问题等因素的制约，使 得传统的信息技术已经不能满足现代社会信息技术飞速发展的要求。 由于光波的频率更高、容量更大，在传输过程中抗干扰能力强、功耗低，于 是，“全光网络”的概念就进应运而生了3-5。也就是说，用光信号直接在整个光 域内进行传输、交换和再生，完全取代电信号而由光波来承载数据信息。全光网 络中的功能器件就是光子器件。光子器件可以突破摩尔定律的限制，在增加数据 传输量和传输速率的同时，还具有节省功耗、防止频率串扰的优点。不仅能保证 长距离互连的密度、数据传输的准确性，还能实现超小尺寸器件的大规模集成， 减小封装成本。因此，光子器件性能更高、成本更低，利用光互连来代替电互连 是一种必然的趋势6。 高密度集成、高可靠性、智能化和低成本是光通信系统的发展方向，目前已 有一些集成化、智能化的光学系统及光子器件问世，并成功应用在了光通信、光 互连、光数据存储、惯性器件等领域。若能研制出集成光子芯片，并实现高效互 连， 那么新一代高性能光子计算机以及全光通信网络等将指日可待，新一代的信 息工业革命也将蓄势待发。 因此， 集成光子芯片成为了目前国内国际的研究热点。 研究集成光子芯片的基本理论是集成光学， 基于集成光学的小型化和集成化的光 路系统称为集成光路。 由于集成光路具有体积小、 耐震动及波带宽、 信息容量大、 传输速度快、抗电磁干扰能力强等优点，可广泛应用于通讯、计算机和自动控制 中北大学学位论文 2 及其他许多方面 7-10。 近年来，基于硅材料的光子学硅基光子学是集成光学的主要方向。早期多 数硅基光子器件是基于体硅而设计加工的。但是自八十年代，绝缘体上硅 （Silicon-on-insulator，SOI）材料的优良特性11-16被研究人员发现以后，硅基光 子器件便逐步向 SOI 材料上转移。SOI 材料就是硅-二氧化硅-硅的三明治结构， 其中衬底是几百微米的硅， 中间有 23 微米的二氧化硅埋氧层， 顶层则是用于制 作光子器件的硅层。通常顶层硅的厚度都比较薄，从 100 多纳米到一两个微米。 正是由于 SOI 材料的这种特殊结构形成的高折射率差，使得其具有优于体硅的 相关特性。基于 SOI 材料的波导结构由于折射率差大，对光场的局域能力强， 且波导的弯曲损耗小，有利于制备超小尺寸的器件结构。同时，在强光场下也能 出现一些非线性光学效应17，如电光效应18、双光子吸收19、拉曼散射20和受 激布里渊散射21,22等， 基于 SOI 材料的这些特性还可以制备出各种非线性光学器 件。 此外，SOI 材料与 CMOS 工艺兼容，因此利用 CMOS 工艺制备的基于 SOI 材料的光子器件能实现高密度集成、超小型化、可批量化生产、低成本的集成光 子芯片23-24。波带宽、传输及处理速率快的集成光子芯片结合芯片间的抗干扰性 强且高速光互连，已经成为现代社会信息技术发展的必然趋势，同时也是现代科 学技术面临的新挑战。 1.2 谐振腔的国内外研究现状谐振腔的国内外研究现状 在光互连网络中，采用波分复用技术，可极大地提高整个光网络的容量以及 交互能力。 波分复用技术就是不同波长的光信号承载着数字信号混合在一起进行 传输，而一个特定波长（频率）对应一个信道，并在一个对应的输出端进行解复 用。 采用波分复用技术能够大大地改善通信网络的灵活性也能够降低网络运营成 本， 但同时也对光子器件的设计提出了特殊的要求。 要使集成光网络灵活可扩展， 就需要光子器件具有较好的可调谐特性和多功能性。 而光学谐振腔就是实现可调 谐性的基本结构。光学谐振腔具有品质因数高、结构简单、体积小等优点，已经 成为了集成光路的核心基础结构，逐步成为热点研究问题，受到了国内外学者的 广泛关注。 国外关于光学谐振腔的相关研究开展地相对更早。1899 年，Fabry 和 Perot 中北大学学位论文 3 第一次提出利用两个平行板谐振腔构成干涉滤波器，这就是 Fabry-Perot 干涉仪。 其基本原理是光在谐振腔内通过多次循环反馈，增加光的有效传输距离，使其输 出谱线具有较窄的带宽以及较高的精细度25。1969 年，Marcatili 等人提出了光 学谐振腔的典型结构， 由一条或两条直波导和一个微环组成微环谐振腔26。 1982 年，斯坦福大学学者提出了光纤环形谐振腔且分析了其传输特性27。 近年来，光学谐振腔的研究已经比较成熟，并发展出很多不同类型，比如球 型腔28-32、盘型腔33-35、微环谐振腔腔36 以及光子晶体微腔37, 38等。分别如图 1.1（a-d）所示。 (a) (b) (c)(d) 图 1.1 (a)为球型腔，(b)为盘型腔，(c)为微环谐振腔，(d)为光子晶体微腔 其中，球型腔和盘型腔的品质因数 Q 最高可达 108。2012 年，加州理工的 Hansuek Lee 等人提出的带有楔角的盘型腔 Q 值接近 10939，如图 1.2 所示。 图 1.2 楔角边缘的盘型腔 因为球型腔和盘型腔的尺寸更大，通常直径达到毫米量级，而另外两种腔的 直径通常为几十微米，其 Q 值通常为 104，对于直径大些的 Q 值能达到 105。因 此球型腔和盘型腔的Q值比微环谐振腔腔和光子晶体微腔的要高出几个数量级。 中北大学学位论文 4 然而，球型腔的加工制备过程随意性大，不易实现标准化以及批量化的生产，可 重复性差，通常都只用于科学实验现象的验证实验中。可利用 MEMS 工艺进行 统一、 批量化加工的盘型腔， 加工制备过程可重复性及稳固性好， 但是在应用时， 需要外置拉锥光纤进行耦合，因此其耦合过程稳定性不好。微环谐振腔因其在同 一衬底上可实现微腔与波导的耦合一体化40-42， 且具有光场局域能力强、 微型化、 与 CMOS 工艺兼容、可批量化生产且易于集成等优点而广泛应用于光子集成器 件中。 由于 SOI 材料顶层硅与上下包层的折射率差大， 且根据 N.Mohd 的研究显示 SOI 材料的埋氧层厚度大于 500nm 就可以有效地防止光向衬底泄露43。因此， 基于 SOI 材料更容易制备出微型化、结构紧凑的微环谐振腔。2008 年，惠普实 验室的 Qianfan Xu 等人研制出了半径为 1.5m 微环谐振腔，Q 值接近 10444。此 外，有一种特殊的 SOI 微环谐振腔跑道型谐振腔也受到了学者们的密切关注。 2007 年，比利时 IMEC 的 R. Baets 课题组就将跑道型谐振腔用于生物分子检测 中45，如图 1.3 所示。 图 1.3 跑道型谐振腔及其在生物分子检测中的应用 近年来，随着光子学和纳米加工技术的发展，纳米光波导及光波导微环谐振 腔的相关研究已趋于成熟，而其相关的应用研究领域相当广泛，包括生化检测、 气体传感、光互连网络等，已经成为了一些国际科研院所，如 MIT、IMEC 等的 热点研究课题之一。 国内关于光波导及微环谐振腔的研究起步相对较晚，但是发展也很迅速。自 2001 年以来，上海新奥科技有限公司利用注氧隔离、键合以及完全自主开发的 Simbon 技术制备的 SOI 材料，实现了我国这种关键材料从无到有的飞跃，促进 了我国光波导相关研究的发展。2005 年，北京航空航天大学利用硅基二氧化硅 设计并制备了谐振式光学谐振腔并搭建了谐振腔测试平台。2008 年，天津大学 中北大学学位论文 5 与中电集团十三所合作研究微环形激光器并取得相关成果。近年来，中北大学也 致力于集成光波导陀螺惯性器件的相关研究，加工制备出高 Q 值的球型腔，实 现了高灵敏度的陀螺系统。同时，还加工制备了高性能的微环谐振腔，成功应用 于生化检测及电光调制器。 虽然，国内相关研究较国外落后，但是高 Q 光学谐振腔在诸多应用领域的 独特优势受到国内越来越多研究人员的关注和投入，且在国外相关研究的基础 上， 我国开展的基于谐振腔应用的研究更为集中，近年的相关研究成果也有了快 速发展和重大的突破。 1.3 调制器的国内外研究现状调制器的国内外研究现状 调制器是光通信网络的关键功能器件之一。传统的化合物光调制器包括/ 族化合物光调制器和铌酸锂光调制器。/族化合物光调制器由于功耗过大， 且基本材料在制备过程中有毒， 应用范围有限。 目前广泛应用的铌酸锂光调制器， 具有宽带宽、高调制速率、低插入损耗以及易于加工等优点，传输速率可达到 40Gb/s。 据报道， 日本 NTT 公司研制出的铌酸锂调制器带宽超高， 可达 100GHz。 但是，铌酸锂调制器在高频调制时光损耗过大、驱动电压高，且与 CMOS 工艺 不兼容，难于实现小型化和集成化。 然而，硅基集成光互连网络是未来的发展方向，因此高速硅基调制器引起了 国内外研究人员的广泛关注，成为了国际研究的热点。 2004 年 Intel 公司在 Nature 上报道了调制频率超过 1GHz 的 SOI 高速电容式 调制器46，如图 1.4 所示。经过结构设计及工艺的改进，2007 年 Intel 公司将硅 基调制器的 3dB 带宽扩展到 30GHz，调制速率达到 40GHz，达到目前商用 III-V 族和铌酸锂外调制器的水平。由于微环谐振腔具有选频特性，能实现滤波及波分 复用的功能，易于提高调制速率及带宽，2005 年，Cornell 大学