硅-有机复合集成电光调制器优化设计

摘要

电光调制器是微波光子链路的核心单元，其实现将微波信号由电域转化至光域的重要功能。高性能电光调制器应具有大的调制带宽、高的调制效率，以满足微波光子链路超宽带、大动态的微波光传输及微波光子信号处理等应用的需求。 本论文研究了硅-有机复合集成电光调制器，该调制器发挥了硅光的大规模集成和加工优势以及有机聚合物的高电光系数优势，采用Slot波导结构将光波场和调制微波场聚集在狭缝处的高电光系数聚合物中传输，进而实现大带宽、高效率的调制功能。开展的主要研究工作如下： 对硅-有机复合集成的Slot波导结构进行了优化设计。以提升电光调制效率为目标，优化设计得到狭缝宽度、硅波导宽度、硅平板层高度等波导结构参数，将大部分光功率集中在狭缝处；对硅平板层载流子掺杂进行优化设计，在不引入过大光学损耗的情况下，将射频信号电场传导至Slot波导狭缝处，实现传输光波场与调制微波场的高度重合。对优化后调制器的性能参数进行分析，得到其半波电压-长度积为0.91V·mm及RC时间常数限制下的调制带宽达到百GHz。 对Slot波导与直波导对接的模式耦合器进行了优化设计。研究了两种耦合器结构，分别为锥型波导Strip-to-Slot模式耦合结构、MMI型Strip-to-Slot模式耦合结构。并对有无平板层的Slot波导过渡结构进行了优化设计，以提升不同波导结构连接的耦合效率。 对调制电极进行了理论推导和优化设计。对比研究了微带线电极和共面线电极结构，得到两种电极结构特征阻抗及微波传输损耗理论公式；对集总电极难以对高频信号进行调制的原因进行了理论推导；分析了行波电极微波光波相速失配对调制带宽的影响。对行波电极的结构参数进行了优化设计，电极结构在微波传输损耗和微波光波相速匹配约束下的调制带宽均达到百GHz。 开展了硅-有机复合集成电光调制器的初步实验研究，采用电子束刻蚀制备了在100nm~200nm范围内不同狭缝宽度的Slot波导，并进行了电光聚合物的填充实验，扫描电镜测试分析结果表明，获得了良好的聚合物填充狭缝的效果。

目录

声明

1 绪论

1.1 高速集成电光调制器研究意义

1.2 集成电光调制器研究现状

1.2.1铌酸锂电光调制器

1.2.2全聚合物电光调制器

1.2.3纯硅基电光调制器

1.2.4硅基石墨烯集成电光调制器

1.2.5复合集成电光调制器

1.3 本论文研究工作

2 电光调制器基本原理

2.1 光波导理论

2.1.1麦克斯韦方程

2.1.2电磁场边界条件

2.1.3 Slot波导模场分析

2.2 有机聚合物材料的电光特性

2.3 MZI调制器的基本原理

2.4 调制器性能参数

2.4.1 半波电压

2.4.2 负载阻抗

2.4.3 调制深度

2.4.4 调制带宽

2.4.5 消光比

2.4.6 插入损耗

2.5 本章小结

3 调制区波导结构设计

3.1 调制器基本结构

3.2 Slot波导结构参数设计

3.3 平板层波导掺杂浓度分析及设计

3.4 调制电场分析

3.5 调制器性能参数分析

3.6 本章小结

4 模式耦合结构设计

4.1 锥型波导Strip-to-Slot模式耦合结构设计

4.2 MMI型Strip-to-Slot模式耦合结构设计

4.3 有无平板层波导模式耦合结构设计

4.4 本章小结

5 调制区电极结构设计

5.1 微带线电极与共面线电极结构分析

5.1.1 微带线电极结构分析

5.1.2 共面线电极结构分析

5.2 集总电极与行波电极理论分析

5.2.1 集总电极渡越时间

5.2.2 集总电极调制区压降

5.2.3 行波电极相速失配分析

5.3 行波电极优化设计

5.4 本章小结

6 Mask设计和初步实验制备

6.1 Mask设计

6.2 聚合物填充实验

6.3 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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