集成光波导微环谐振腔的电光调制特性研究

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随着集成光学的快速发展,硅基片上SOI器件的现代SoC(System on Chip)系统芯片技术成为了未来光通信与光集成发展的主流方向。由于SoC片上系统器件在光处理、光计算、光传输和光控制等各种光学物理特性上应用的独特优势,成为了国内外学术界广泛研究的热点。而目前制约其发展的主要瓶颈问题就是集成性。而高品质的硅基SOI(Silicon-on-insulator)材料,由于其材料层间较高的折射率差、通信波段的透明传输以及制作工艺与CMOS工艺完全兼容等优点以至于可很大程度上降低芯片器件尺寸和提高芯片的集成密度来实现芯片内的光电互联和光电集成,从而成为目前SoC片上芯片集成中分立部件制备的首选。SOI硅基光波导谐振腔作为集成光学的主要部件,其主要可用于滤波、光开关、调制器、探测器等,而随着半导体物理学、量子力学等对硅材料半导体电光效应的进一步解释,研究SOI波导谐振腔的电光调制器成为了追捧的热点和难点问题。利用硅电光效应制备的SOI微环谐振腔光调制器主要是通过硅材料光电效应产生波导折射率的改变,从而实现光信号的调制或切换,其克服了热光效应型调制器受热扩散和散热的限制,突破了与声光型器件相同特征的响应速度较慢等问题,具有超高速调制的优势,成为制作高速光调制器和光开关的首选方案。所以,研究基于SOI波导谐振腔的电光特性调制器件成为现代SoC芯片器件实现的基础。本文主要立足于以SOI光波导微环谐振腔电光调制器为目标,采用FDTD以及Rsoft对波导的单模性、高光局域性以及谐振特性进行了仿真分析,在此基础上设计、制备出了条形和脊型纳米光波导谐振腔,然后对制备的结构进行了优化后处理,并对半径15μm的波导谐振腔进行了弯曲损耗测试,其优化后的损耗值为0.0109±0.0001d B/turn,Q值仍可保持在在104以上,从而可满足研究调制特性与制备调制器件的谐振腔基本参数要求。然后通过Sentaurus、SRIM2008对二极管特性以及离子注入形成P-N结的实现进行了仿真、分析与计算,最终确定其详细的数据参数等。最后以分析的结果采用标准的MEMS工艺,如:ICP刻蚀、电子束光刻、离子注入等工艺制备出基于SOI波导谐振腔的电光调制器件芯片。对自由波谱范围为2.6nm的微环谐振电光调制器件施加外部驱动电压信号对其进行调制特性静态和瞬态特性测试,结果为:静态特性测试产生谐振频移并随驱动电压信号增大而频移宽度变大,驱动峰值电压达到一定数值后,P-N结被击穿;瞬态特性测试其调制深度为0.899,消光比为10.14dB,最大调制频率达30MHz。
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