用于光互连的损耗均匀的硅基阵列波导光栅路由器的研究

摘要

随着普适计算和云计算等数据业务的推广，数据中心和高性能计算机在近几年得到了迅速的发展，处理器单元的数量和处理器之间数据传输的速度也随之增加。而传统的基于铜线的电互连方式已经无法满足即将到来的Tbit/s的数据传输速度，因此光互连技术成为了目前最佳的解决方案。光互连技术具有超高吞吐量，大规模并行，低访问延迟和低功耗的优点。阵列波导光栅路由器(AWGR)作为光互连系统中核心的波长路由器件，实现了多个链路之间的同时互连，且作为无源器件，不需要额外的控制电路。另一方面，硅光子学的发展使得基于硅纳米线的AWGR具备了高集成度和低制造成本的优势。随着光互连系统对集成光学器件的要求越来越高，异质集成技术得到了长足发展，在硅基材料上同时实现光源、调制器、波分复用器和探测器是未来集成光电子学发展的方向。本文主要对基于硅纳米线的AWGR进行了研究，并提出了一种利用翻转贴片技术的异质集成方案。 本文首先详细介绍了阵列波导光栅(AWG)的基本工作原理，包括关键的结构参数和性能参数，分析了结构参数对AWG性能的影响。我们还介绍了AWG的设计步骤及两种常用的阵列波导结构。然后介绍了AWG的仿真方法，包括波导模式、自由传输区传播和波导模式与平板模式耦合的仿真。我们介绍了在绝缘体上硅(SOI)材料平台上实现硅纳米线波导器件的实验方法，以及如何对器件进行测试。 本文接着介绍了AWGR的工作原理及其路由特性，并给出了在SOI平台上实现硅纳米线AWGR的设计实例，并对其进行了仿真，得到了仿真光谱图。随后我们实验验证了4×20nm、8×6.4nm、8×3.2nm和15×1.6nm的AWGR器件，均实现了不错的插入损耗和串扰性能。 然后我们介绍了提升AWGR通道损耗均匀性的辅助波导方法，对其原理进行了分析，通过对阵列波导输出光场进行调控可以在AWGR像面上得到平顶的强度分布，从而实现损耗均匀性的提升。我们对8×3.2nm和15×1.6nm的AWGR的辅助波导结构进行了优化仿真，并进行了实验验证，实现了通道损耗非均匀性为0.5dB的AWGR。 最后我们提出了基于翻转贴片技术的异质集成方案，利用翻转贴片技术将Ⅴ型耦合腔激光器与硅纳米线AWGR进行异质集成，从而实现光路由芯片。我们对集成方案细节进行了分析，给出了具体实现方法。对分立器件进行了设计、制作与测试。我们还对翻转贴片工艺进行了详细介绍，并进行了探索性实验。 硅纳米线AWGR作为未来光互连系统的核心器件，仍需要进一步的研究与探索，与其他光器件的集成将使其在光通信中扮演越来越重要的角色。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1数据中心与光互连

1．2光互连与硅光子学

1．2．1光互连器件的材料平台

1．2．2硅光子学的机遇与挑战

1．3硅基光子集成芯片

1．3．1异质集成方式

1．3．2硅基异质集成光有源器件

1．4本论文的章节安排

1．5本论文的创新点

2阵列波导光栅的基本理论、设计与仿真

2．2阵列波导光栅的基本理论

2．2．1基本设计参数

2．2．2性能参数

2．3阵列波导光栅的设计

2．3．1设计流程

2．3．2版图设计

2．4阵列波导光栅的仿真

2．4．1波导模场仿真

2．4．2自由传输区中的光传输仿真

2．4．3阵列波导中的光传输仿真

2．5小结

3硅纳米线波导器件的制作工艺及测试方法

3．1主要工艺设备介绍

3．1．1电子束光刻系统

3．1．2干法刻蚀设备

3．1．3薄膜沉积设备

3．2硅纳米线波导的基本工艺流程

3．3硅纳米线波导器件的测试

3．3．1光纤与硅纳米线波导器件的耦合

3．3．2端面耦合测试系统

3．3．3光栅耦合测试系统

3．4本章小结

4基于硅纳米线波导的阵列波导光栅路由器

4．1国内外研究进展

4．2阵列波导光栅路由器的原理与设计

4．2．1路由原理

4．2．2设计流程

4．2．3设计与仿真实例

4．3硅纳米线阵列波导光栅路由器的制作与测试

4．3．1制作步骤

4．3．2测试结果

4．4本章小结

5基于硅纳米线波导的损耗均匀阵列波导光栅路由器

5．1国内外研究进展

5．2损耗均匀的阵列波导光栅路由器的原理及设计

5．2．1原理分析

5．2．2设计与优化

5．2．3版图设计

5．3损耗均匀的阵列波导光栅路由器的制作与测试

5．3．1器件制作

5．3．2器件测试

5．4本章小结

6基于翻转贴片技术的异质集成路由芯片

6．1国内外研究现状

6．2基于翻转贴片技术的异质集成方案的设计与仿真

6．2．1有源波导与无源波导的耦合

6．2．2有源波导与无源波导的对准

6．2．3整体集成方案

6．2．4集成器件的设计

6．3器件制作与测试

6．3．1激光器的制作与测试

6．3．2无源芯片的制作与测试

6．4翻转贴片工艺

6．5本章小结

7总结与展望

参考文献

作者简介