硅基马赫曾德尔电光调制器驱动电极研究

摘要

随着CPU运算速度的不断提高，电互连在带宽、延迟和功耗上的瓶颈效应越来越明显，基于硅基光子学的光电混合集成（Optoeletronic integrated circuit，OEIC）被认为是一种可行的替代方式。电光调制器作为电信号到光信号转换过程中的核心器件显得尤为重要，硅基调制器由于其与微电子工艺的兼容性，有利于实现低成本光电集成。
　　本文对硅基马赫曾德尔电光调制器驱动电极的设计原理与实验性能进行了深入研究，着重优化设计了行波电极，实现了高速信号调制，完成的工作包括以下几个方面：
　　（1）单端驱动行波电极的优化设计
　　为了便于设计高阶调制器，本文设计了单端驱动行波电极结构，在这种结构中行波电极位于调制臂的两侧，两臂中间为高浓度掺杂硅层，通过金属过孔与外部直流偏置电源相连。采用传输线电路模型对电极进行分析，结合仿真结果得出行波电极各个尺寸参数对传输性能的影响，从而对行波电极进行优化设计，实现了32Gbit/s的二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）信号调制。
　　（2）多路直流偏置电源的设计
　　为了给调制器提供多路稳定直流偏置电压，设计出基于LM317芯片的40路线性稳压电源。实验证明其输出电压稳定，可调精度高。
　　（3）片上50Ω匹配电阻的设计
　　为了与行波电极进行阻抗匹配，在行波电极末端使用高浓度掺杂硅层设计出50Ω片上匹配电阻。SILVACO三维仿真工具可以根据硅层的长、宽、高、掺杂浓度、通孔位置来仿真确定硅层的具体电阻值。设计一系列不同阻值的硅电阻，并与实验结果进行对比，找到稳定的工艺误差，在后续设计中对工艺误差进行补偿，从而设计出精确的50Ω硅电阻。（4）光电互连工艺的实现
　　为了实现光电互连，采用引线键合工艺连接调制器芯片和直流偏置电源，克服了探针数量和空间的限制，不仅降低了实验成本，而且提高了设计大规模光电器件的可行性和灵活性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 硅基调制机理

1.3 硅基调制器的光学结构

1.4 电学结构

1.5 硅基电光调制器的研究现状

1.6 论文的独创点

1.7 论文结构

第二章 硅基MZI电光调制器驱动电极

2.1 硅基MZI电光调制器基本原理

2.2 硅基MZI电光调制器驱动电极

2.3调制器性能指标

2.4本章小结

第三章 调制器行波电极优化设计和测试

3.1电极设计原则

3.2行波电极设计与仿真

3.3行波电极电路模型建立

3.4行波电极电路模型理论分析

3.5第一版行波电极实验结果

3.6行波电极优化设计

3.7第二版行波电极实验结果

3.8本章小结

第四章 调制器实验实现和光电性能测试

4.1线性直流稳压电源的设计与实现

4.2 引线键合工艺实现

4.3 片上50Ω匹配电阻的设计与实现

4.4 调制器光电性能测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录一 符号与标记

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

致谢