载流子色散型硅基CMOS光子器件

为了实现硅基单片光电子集成器件的实用化,介绍了采用P-I-N、双极型场效应晶体管、金属氧化物半导体和PN结结构的载流子色散型硅基CMOS光子器件的发展状况和特点,并汇报了硅基CMOS光子器件的设计和制作方面的工作.利用商业的CMOS工艺线制作的器件获得了较好的结果,光调制器消光比约18dB,1×2光开关消光比约21dB,谐振环的消光比8～12dB.采用CMOS技术研制硅基光子器件,将能使集成光子学的发展上一个新的台阶.

基于硅基微环的光双二进制

基于硅基微环光调制器,利用Optisystem协同Matlab仿真,实现了10Gbit/s光双二进制信号的产生,并分析了光源的线宽和中心波长、光纤传输距离以及高斯窄带滤波器的带宽对10Gbit/s光双二进制系统性能的影响.仿真结果表明:该光双二进制系统对光源的线宽和中心波长敏感;在误码率为10-9量级时,实现无误码传输的最大距离为60km,且高斯窄带滤波器的最佳带宽为8GHz.

基于硅基微环10Gbit/sNRZ系统设计及性能分析

硅基光子器件在光通信、光互连以及光计算领域均具有重要的作用。利用载流子色散效应,采用反向pn结构的硅基微环调制器,实现10 Gbit/s不归零码(Not Return to Zero,NRZ)信号的产生。同时,以此光调制器为核心器件,利用Optisystem和Matlab搭建10 Gbit/s NRZ传输系统并协同仿真分析在不同光纤传输长度和驱动信号下NRZ信号的系统性能。仿真结果表明:当加载幅度为5 V方波信号时,产生调幅信号的消光比为25.2 d B,最大传输距离为22.8 km,相应的系统功率损失为7.58 d B。

硅基PN结型光波导有效折射率的定量分析

为解决脊型波导相位调制的有效折射率测量问题,提出一种3端口MZI(Mach-Zehnder Interferometer)结构,能定量测量并分析PN结(Positive-Negative junction)脊型硅光波导中,有效折射率的实部和虚部受偏置电压调制的相对变化,并给出多项式拟合方程。实验所得结果与拟合结果非常符合,最终可以得到脊型波导在相位调制过程中的特性。该测量方法简单易行,可应用于硅基光电子集成芯片当中,作为载流子调制特性定量检测器件。

基于载流子注入的SOI4×4MMI-MZ光开关阵列

采用0.8μm CMOS工艺线制作了一种基于载流子注入的SOI 4×4马赫-曾德(MZ)光开关阵列,其由4个2×2基于多模干涉(MMI)耦合器的MZ(MMI-MZ)光开关单元组成。通过对调制臂施加电压,利用Si的载流子色散效应引起调制区的折射率变化实现开关功能。测试结果表明,当输入光为1 510～1 580nm的宽带光源时,光开关阵列的不同路径间的串扰低于-8.02dB,支持的公共带宽为35nm(1 530～1 565nm),开关阵列的上升和下降时间分别为17.4ns和21ns。

基于光子晶体纳米梁腔的反射壁下载型电光调制器

随着光通信产业和光互联技术的高速发展,具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体(SOI)材料为基底的光子晶体纳米梁腔(PCNC)反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中,然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数,可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径,使得光束更好地被束缚在腔内。同时,在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结,施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长,从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分(3D‐FDTD)法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明,该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制,调制电压仅为1.2 V,插入损耗为0.2 dB,消光比为24 dB,面积仅为54μm2,调制速率为8.7 GHz,调制带宽为122 GHz,调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑,性能优异,有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。

基于Add-drop型微环谐振腔的硅基高速电光调制器设计

相比于传统的All-pass型微环谐振腔硅基电光调制器,Add-drop型微环谐振腔可提供更多的设计自由度,使调制器在不改变杂质掺杂浓度的情况下就能在调制带宽和消光比性能上获得均衡考虑.本文设计了基于Add-drop型微环谐振腔的高速、且在低调制电压下实现大消光比的硅基电光调制器,所用微环谐振腔的半径仅仅为20μm.重点分析了直波导与微环谐振腔的耦合对调制器性能的影响,发现较小的Drop端耦合系数有利于消光比的提高,但是不能同时达到最佳的调制带宽,因此设计上存在一个带宽和消光比性能上的折中考虑.根据优化设计的结果进行了实际器件的制作和测试.静态光谱测试表明,在3 V反向偏置电压的作用下,调制器的消光比最大可达12 dB.动态电光响应测试中,在仅仅1.2 V的信号幅值电压下测得了8 Gbps数据传输速率的清晰眼图.

Si基光子器件的p-i-n电学结构模型及分析

为了设计研制基于载流子色散效应的Si基光子器件,本文针对Si基光子器件的电学结构,利用Silvaco的器件仿真工具Atlas,并根据载流子色散理论,结合有限差分(FD)法,建立了基于pi-n结的电学结构模型。同时,为了提高模型的实际应用水平,采用0.18μm CMOS工艺线制作Si基马赫-曾德尔调制器(MZM),并进行相应的实验验证与分析。本文工作将为从物理层面上优化Si基光子器件设计提供帮助。

基于SOI的一维光子晶体纳米梁腔电光调制器

随着光通信和光互联的高速发展,研究调制速率高、器件尺寸小且易于集成的电光调制器具有重要意义。提出了一种基于Si绝缘体材料(silicon-on-insulator,SOI)的一维光子晶体纳米梁腔(photonic crystal nanobeam cavity,PCNC)侧耦合电光调制器。根据时域耦合模理论,通过主线波导与一维光子晶体纳米梁腔形成侧耦合结构。采用圆柱型渐变孔径的一维光子晶体纳米梁腔,使光束更好的束缚在腔内,调整纳米梁腔的结构参数,使其工作在通信波段波长。同时,根据自由载流子色散效应,在纳米梁腔两侧引入掺杂形成p-n结,施加较低偏压调节纳米梁腔的谐振波长,从而实现对工作波长光信号的"通""断"调制。应用三维时域有限差分法(3D-finite difference time domain,3D-FDTD)对调制器光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明,该电光调制器可以实现波长为1550.55 nm的光信号调制,调制电压仅为1.175 V,插入损耗为0.04 dB,消光比为18.2 dB,尺寸仅为25μm^(2),调制速率为8.3 GHz,调制带宽可以达到90 GHz,可应用于集成光子器件及高速光通信领域。