硅基微環(huán)諧振腔中的光調(diào)控研究.pdf

1、硅基芯片作為超大規(guī)模集成電路的基本組成部分，在現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著高性能計(jì)算要求的提高及數(shù)據(jù)中心互連密度的上升，銅線作為傳統(tǒng)互連媒介從帶寬、損耗以及抗干擾等方面越來(lái)越顯現(xiàn)出其局限性。為打破這種極限，光互連被認(rèn)為是一種有前途的解決方案。硅基光子集成器件由于可利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝較為廉價(jià)地制備并方便與微電子芯片集成，成為實(shí)現(xiàn)光互連的首要候選，具有巨大發(fā)展前景。
　　 近年來(lái)，基于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)的無(wú)

2、源與有源器件的研究齊頭并進(jìn)，成為光電子領(lǐng)域最熱門的方向之一。硅基光子技術(shù)不僅能夠?yàn)楣馔ㄐ畔到y(tǒng)提供光電集成解決方案，而且還快速拓展于能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物、傳感等領(lǐng)域。其中，微環(huán)諧振腔是硅基光子技術(shù)中最重要的器件之一。由于微環(huán)腔體的形成不需要腔面，使其具有顯而易見(jiàn)的可集成優(yōu)勢(shì)，其微納尺寸可以支持大規(guī)模單片光電集成。本論文首先詳細(xì)介紹微環(huán)諧振腔的基本理論與特性測(cè)試，然后對(duì)具有模式分裂的微環(huán)諧振腔進(jìn)行理論分析并建模。最后，利用這種具有模式分裂

3、的微環(huán)諧振腔分別實(shí)驗(yàn)演示了可調(diào)光延遲線和理論設(shè)計(jì)了電光調(diào)制器。概括全文的研究成果與貢獻(xiàn)，可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面:
　　 1.硅基微環(huán)諧振腔中模式分裂的建模分析
　　 1)基于耦合模理論(CMT)，對(duì)硅基微環(huán)諧振腔中的模式分裂現(xiàn)象進(jìn)行分析。首先討論了微環(huán)中順時(shí)針與逆時(shí)針傳播的模式之間相互耦合的產(chǎn)生原因，通過(guò)引入耦合系數(shù)μ研究了耦合強(qiáng)度對(duì)模式分裂的影響。研究表明μ值越高，模間耦合強(qiáng)度越大，模式分裂現(xiàn)象越明顯。
　　

4、2)將硅基微環(huán)諧振腔側(cè)壁褶皺近似為布拉格光柵組合，對(duì)側(cè)壁褶皺所引起的模式分裂現(xiàn)象進(jìn)行建模。在模型中，側(cè)壁褶皺被認(rèn)為是由凸起高度為30-50nm，周期為～100nm的光柵組合而成。模式分裂通過(guò)在微環(huán)諧振腔的頻譜響應(yīng)中引入光柵的反射特性來(lái)分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　 2.硅基微環(huán)諧振腔中實(shí)驗(yàn)演示可調(diào)光延遲線
　　 1)在單波導(dǎo)耦合的模式分裂硅基微環(huán)諧振腔的反射端口實(shí)驗(yàn)演示可調(diào)慢光延遲。對(duì)于單波導(dǎo)耦合的微

5、環(huán)諧振腔的透射端口(Throughport)，當(dāng)輸入光脈沖的中心波長(zhǎng)位于產(chǎn)生的兩個(gè)分裂諧振峰上，其群速度色散為負(fù)值。在反射端口(Reflectionport)，微環(huán)諧振峰處的群速度色散為正值，而且慢光延遲可調(diào)。我們首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光脈沖在微環(huán)反射端口的延遲特性，延遲量達(dá)到25ps。
　　 2)在雙波導(dǎo)耦合的模式分裂硅基微環(huán)諧振腔中實(shí)驗(yàn)演示快慢光連續(xù)可調(diào)。在下行端口(Dropport)的兩個(gè)分裂諧振峰處的群延遲為正值，而在兩個(gè)分裂的

6、諧振峰之間，群延遲為負(fù)值。因此，當(dāng)光脈沖的中心波長(zhǎng)從諧振峰處移動(dòng)到諧振峰之間時(shí)，光脈沖從慢光延遲轉(zhuǎn)變?yōu)榭旃馇耙?。我們首次?shí)驗(yàn)演示了利用硅波導(dǎo)中的熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)快慢光可調(diào)延遲線，光脈沖串連續(xù)地從前移6ps變化為延遲29ps。
　　 3)實(shí)驗(yàn)演示了一種增強(qiáng)快光效應(yīng)的微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)。通過(guò)將欠耦合的微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)與薩格納克（Sagnac）環(huán)相連，輸入光通過(guò)微環(huán)諧振系統(tǒng)兩次，群延遲絕對(duì)值增加一倍，快光效應(yīng)由此增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中采用微納光纖代替

7、硅波導(dǎo)，概念性實(shí)驗(yàn)演示了5Gb/s歸零(Rz)脈沖串的快光特性，前移量為25ps。
　　 3.基于模間耦合可調(diào)微環(huán)諧振腔，設(shè)計(jì)高調(diào)制深度、低功耗的硅基電光調(diào)制器
　　 1)在跑道型硅基微環(huán)的部分區(qū)域刻蝕周期性圓孔構(gòu)成可調(diào)光柵，實(shí)現(xiàn)模間耦合可調(diào)?？烧{(diào)光柵的存在導(dǎo)致后向傳播行波產(chǎn)生并與前向傳播行波發(fā)生耦合。通過(guò)硅基自由載流子效應(yīng)調(diào)制光柵的等效折射率，使得光柵反射頻譜發(fā)生藍(lán)移，微環(huán)諧振峰處的光柵反射率隨之發(fā)生變化。光柵反射率越