论文部分内容阅读
信息技术的飞速发展对计算机系统的数据处理能力提出了越来越高的要求。作为一种解决电互连瓶颈的方案，光互连已经从服务器机组间向电路板间、芯片间甚至芯片内部逐渐渗透。硅基光子器件具有与CMOS工艺兼容、集成度高等优点，因而成为未来光互连系统最有前途的选择。硅基电光调制器和光波导无源器件是硅基光互连系统的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个芯片甚至整个互连系统的性能，因此对这些器件的设计以及优化有重要意义。 本文分为以下几个部分: 首先对硅基光互连的现状做了适当的描述和展望，并回顾了基于载流子色散效应的硅基电光调制器和光波导偏振模式转换器的研究进展。 接下来介绍了硅基电光调制器的工作原理和数值仿真方法，并重点阐述了MZI调制器的行波电极模型，分析了PN结电容、串联电阻及调制区长度对电极传输线性能的影响。然后具体讨论了电光调制器的功耗和温度稳定性问题，对两种光学结构（MZI和MRR）的调制器分别做了分析和探讨。 为了降低调制器的功耗，提出了一种具有高调制效率的掺杂结构。数值分析和工艺仿真的结果表明，该结构在保证良好的其他性能参数的基础上，调制效率相比传统的调制结构要高很多。在3V的反偏电压下，调制效率达到0.63V·cm。工作在28GHz的调制频率下，采用1mm的调制区长度可以实现＞12dB的消光比。 设计了低调制电压的基于MRR的硅基电光调制器，研究了直波导和微环的耦合对调制器性能的影响。绘制了器件制作的版图，对器件的光谱以及电光相互作用的静态响应和动态响应做了测试，得到了＞10GHz的电光响应的带宽，在1.8V的信号电压下测得了9Gbps数据传输速率的眼图。 最后，出于对光互连系统中偏振相关性的考虑，提出了一种结构紧凑、具有大工艺容差的硅基光波导偏振模式转换器，并对器件的设计参数做了优化，性能做了分析。结果表明，该模式转换器的转换区长度仅仅约为5μm，而TE-TM和TM-TE转换的消光比都大于40dB，插入损耗仅仅～0.5dB。其工艺容差要比已有的同类结构大很多。