载流子色散效应硅基光调制器研究

论文总字数：33098字

摘 要

在集成电路快速发展的今天，其中传统的电互连暴露出了许多问题。而用光互连解决电互连中遇到的问题具有相当多的优点，因此成为集成电路发展的方向之一。SOI光波导基于其小型化与ＣＭＯＳ工艺兼容等突出的优点成为光波导中主流的一种材料。本文基于SOI结构，针对光互连中的关键器件—电光调制器进行了设计和仿真。

本文先从总的方面介绍了硅基光子学的背景以及发展现状，然后从波导理论出发，分析了波导结构和数值计算。然后介绍了硅材料的载流子色散效应原理，即通过载流子浓度的变化改变材料折射率，并基于载流子色散效应设计出了硅基光调制器。接着针对SOI材料结合Silvaco软件设计了p-i-n结构的波导。利用光束传输算法（BPM）设计了Y分支MZI型光调制器，然后又利用时域有限差分算法（FDTD）设计模拟了单总线环形结构的光调制器。接着针对这两种结构，即MZI结构的调制器和环形结构的调制器的设计进行了分析和计算，包括消光比、品质因数以及损耗等参数，并且进行了对比分析，比较了两种结构的优缺点。

关键词：SOI光波导，脊形波导，MZI硅基光调制器，单总线耦合环形谐振器

A STUDY ON SILICON OPTICAL MODULATORBASED ON

FREE CARRIER DISPERSION EFFECT

Abstract

With the development of integrated circuit, the traditional interconnect using electrical technology has exposed many problems. But on the contrary, optical technology has many merits, over time, the interconnect market will see a gradual transition from electrical to optical technology. SOI, which is tiny and compatible with CMOS technology has become a kind of popular material in waveguide. And the optical modulators based on SOI are designed and simulated in the thesis.

First, the thesis describes the background and development of the silicon photonics, and analyzes the waveguide structure and calculation from the waveguide theory. Then it illustrates the principle of the free carrier dispersion effect in which the p-i-n structure with the Silvaco software was designed. The Y branch MZI optical modulator using beam propagation method and the single-bus-coupled ring resonator combined with finite-difference time-domain were designed based on p-i-n structure. Finally, the thesis analyzes the indicators, including extinction ratio, quality factor and loss of the two different structures by simulating.　At the same time, it makes a comparison between the two structures and shows the different features.

KEY WORDS: SOI optical waveguide, ridge-type waveguide, MZI optical modulator, single-bus-coupled ring resonator

目录

摘要…………………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………………………Ⅱ

1. 绪论 ………………………………………………………………………………………………1

1.1 引言 ……………………………………………………………………………………………1

1.2 硅基光调制器的研究现状和趋势 ……………………………………………………………1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 ……………………………………………………………2

1. 光波导理论 ………………………………………………………………………………………4

2.1 平板光波导理论 ………………………………………………………………………………4

2.2 脊形波导理论分析 ……………………………………………………………………………5

2.2.1 脊形波导有效折射率分析 ……………………………………………………………6

2.2.2 脊形波导的单模特性 …………………………………………………………………7

1. 载流子色散效应硅基调制器 ……………………………………………………………………8

3.1 载流子色散效应原理 …………………………………………………………………………8

3.2 器件电学结构 …………………………………………………………………………………8

3.2.1 常见的电学结构及对比 ………………………………………………………………8

3.2.2 基于p-i-n结的设计和仿真 …………………………………………………………10

3.3 器件光学结构 …………………………………………………………………………………14

3.3.1 马赫-曾德尔干涉仪 …………………………………………………………………14

3.3.2 3dB耦合器 ……………………………………………………………………………14

3.3.3 环形谐振器 ……………………………………………………………………………15

3.3.4 单总线环形谐振器 ……………………………………………………………………18

1. 调制器设计和性能分析 ………………………………………………………………………20

4.1 MZI调制器 ……………………………………………………………………………………20

4.1.1 MZI结构设计 …………………………………………………………………………20

4.1.2 MZI调制器性能分析 …………………………………………………………………24

4.2 环形谐振腔调制器 ……………………………………………………………………………28

4.2.1 环形谐振器结构设计 …………………………………………………………………28

4.2.2 环形谐振腔调制器性能分析 …………………………………………………………32

4.3 两种结构的对比和分析 ………………………………………………………………………33

1. 结论 ……………………………………………………………………………………………36

致谢 ………………………………………………………………………………………………………37

参考文献（References） …………………………………………………………………………………38

1. 绪论

1.1 引言

近年微电子行业飞速发展，芯片集成度也越来越大，这也意味着芯片内部的金属线集成度愈加密集，因此金属互连线慢慢成为限制芯片迅速发展的主要因素。所以电作为器件直接的通信载体就慢慢显露出其缺陷，延迟、功耗高等诸多问题开始逐步影响微电子行业的发展。但是随着时间的推移，互联的方法已经不再只是早期的电学互联，光学互联正在体现着它的优越性^[1]。用光子代替电子作为信息的载体是互联技术发展的飞跃，它的优势在于带宽的增加、低功耗、布线灵活以及低成本，而这些特点正好可以克服电互联的许多缺陷。特别是节能方面，芯片互联中产生的大量热量是一种可持续按发展的资源，而光学互联可以节约大量能量^[2]。光学互联的出现，并且将现有成熟的微电子技术和光子技术结合，即利用硅材料及CMOS工艺来制作光电子器件，是实现大规模光电子器件集成的可行途径，使硅光子成为了最主要的研究候选对象。

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