【摘 要】
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硅基光电集成被认为是高带宽和低功率光互连的理想解决方案,高性能电光调制器和探测器作为互连系统的核心器件,起着转换光电信号的作用,其性能优劣很大程度上决定了系统的整体性能。迄今为止,在通信波段对于互连系统无论分立器件还是系统集成均已实现一定程度的商用化,但是为满足日益增长的容量需求。亟需开展2μm波段光互连的研究以进一步拓展通信容量。本文以硅基光互连分立器件的开发以及2μm光通信新窗口的探索为背景,
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硅基光电集成被认为是高带宽和低功率光互连的理想解决方案,高性能电光调制器和探测器作为互连系统的核心器件,起着转换光电信号的作用,其性能优劣很大程度上决定了系统的整体性能。迄今为止,在通信波段对于互连系统无论分立器件还是系统集成均已实现一定程度的商用化,但是为满足日益增长的容量需求。亟需开展2μm波段光互连的研究以进一步拓展通信容量。本文以硅基光互连分立器件的开发以及2μm光通信新窗口的探索为背景,针对2μm波段硅基调制器与探测器做了详细的设计分析与性能表征。论文综述了电光调制器与探测器的发展趋势及研究现状,介绍了调制器与探测器性能的基本参数。论文分析了载流子耗尽型硅基马赫-曾德尔调制器调制机制,分析了硅基锗探测器与硅探测器工作原理。论文讨论了器件电学结构特性和带宽分析方法,为进一步优化器件设计奠定基础。论文设计了2μm载流子耗尽型单端推挽式硅基调制器,仿真优化了波导有源区的结构参数,改善了损耗和调制效率等指标,给出了波导群折射率和RC常数。构建了行波电极电学特性的设计框架,研究了共面带状线和T型轨道结构电极的工作性能,并针对速度匹配、阻抗匹配、微波损耗三类影响因素对调制器带宽进行优化设计,结果显示,调制器EE 6.4d B带宽为52.2 GHz,EO 3d B带宽为21.7 GHz。在流片机构工艺条件基础上,绘制了GDS版图并通过DRC验证,搭建了静态与高速测试平台对调制器性能予以表征。最终测试结果表明,调制器插入损耗为11d B,调制效率为1.6 V·cm,可实现30 Gbit/s以上的OOK调制和50 Gbit/s的PAM4调制,经过后处理后PAM4调制速率最高可达80 Gbit/s。完成了系统频率响应测试,系统带宽达21 GHz,与仿真结果接近。论文设计了2μm硅基电光探测器,对比分析了探测器在1.55μm和2μm不同波长下光吸收的差异,采用了在硅材料上引入缺陷以提高光吸收的设想,并将响应度提升至0.15 A/W。给出了探测器等效电路模型,分析了影响带宽的主要因素,优化了载流子掺杂分布和探测器长度,计算得到带宽为32 GHz。同时,论文以gain peaking电路模型为基础,通过引入片上电感元件进一步提升带宽,最高可达60GHz以上。根据流片机构Compound Tek提供的工艺条件,绘制了GDS版图,通过了DRC验证并进行流片。
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