高速硅基Mach-Zehnder调制器设计与模拟
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华中科技大学 硕士学位论文 高速硅基Mach-Zehnder调制器设计与模拟 姓名：毛岸 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：周治平 20080531
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无 可比拟的优势。现在许多传统的基于Ⅲ－Ⅴ族材料的电光调制器利用直接电光效应 实现了 40GHz 高速电光调制，但是器件制作成本高,而且与微电子工艺不兼容,而硅 基材料是能够做到低成本光电集成的首选材料。本文在湖北省重大自然科学研究基 金的资助下，对硅基调制器的理论模型和性能参数做了系统性的分析研究，设计了 硅基热光以及电光调制器结构，并对其进行模拟，完成的主要工作有以下几点： （1）基于硅材料的高热光系数，以及在 1550 波段的透明性，设计了硅基的热 光调制器，通过 Ansys 软件对其导热温度分布，及导热响应速度进行了模拟，并优 化了器件的结构参数； （2）根据等离子色散的原理，利用 Atlas 软件设计了双金属氧化半导体电容型 的硅基电光调制器，并对其结构进行优化设计，主要通过研究调制器的调制速度， 调制臂的长度，所加的电压之间的关系，调整器件的结构参数； （3）同样是基于等离子色散的原理，利用 Atlas 软件设计了 N-P-N 结构的硅基 电光调制器，在不同的反向偏压下，pn 的耗尽层宽度会有所变化，从而使得硅材料 的折射率发生变化，由此对光进行调制，通过改变结构参数，进行了一系列的模拟， 并得到一个相对优化的结果。
关键词： 硅基调制器
等离子色散效应
调制速度
马赫- 泽德干涉仪
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Silicon is an extraordinary material in microelectronics due to the compatibility with standard CMOS platform and low cost. Nowadays, many Ⅲ－Ⅴ based electro-optic modulator can reach modulation speed as high as 40GHz. However, they are not so favorable for their high cost and non- compatibility with CMOS platform. Moreover, Silicon is the first choice for low cost optoelectronic integrated circuit (OEIC). Supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province, the theoretical model and several typical kinds of silicon based MZI modulator are introduced and studied in this thesis. The main contents are listed as follows: （1）Based on the high thermal-optical constant and the transparency of silicon at 1.55nm, a silicon based thermal-optic MZI modulator is designed. The thermal distribution and thermal conduct are simulated by using the software Ansys. The parameters are optimized. （2）Based on the carrier plasma dispersion effect, a forward biased pn junction structure is designed. Photonic crystal waveguide is introduced into this structure. The structure is designed by using the software Atlas, and the optimization has been done to the structure. （3）Based on the carrier plasma dispersion effect, a double MOS capacity structure is designed by using the software Atlas. The parameters are optimized by analyzing the modulation speed, the length of arm of the modulator as well as the applied voltage. （4） Also based on the carrier plasma dispersion effect, a N-P-N structure is designed. When reverse biased voltage is applied to pn junction, the depletion width of the pn junction will change according to the applied voltage, so as to change the index of silicon. An optimized result is achieved by changing the parameters of the structure. Keywords: Silicon based modulator Modulation speed Carrier plasma dispersion effect
1
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 1-1 光子集成和光电子集成候选材料基本性能比较
硅的光学调制可以采取灵活的方式，既可以利用热光效应进行热光调制，也可 以利用等离子体色散效应进行电光调制。硅具有比二氧化硅大得多的热光系数，在 波长为 1.55µ m 时硅的热光系数为 2× 10-4 K-1 ，比二氧化硅大 20 倍左右。硅的热导率 也比二氧化硅也大很多（硅为 1.57w/cmK ，二氧化硅为 0.0138w/cmK ） 。因此，在利 用热光效应对光场进行调制时，硅基热光调制器件比二氧化硅热光调制器件具有较 快的速度和较小的功耗。 硅是中心反演对称晶体， 没有线性电光效应 （Pockels effect） ， 但是硅具有较强的等离子色散效应。当注入或耗尽载流子时，硅中载流子浓度的变 化会引起硅的折射率的变化。例如，在 1.3 µm 处，注入空穴浓度为 1.0× 1018 cm-3 时，
Mach-Zehnder Interferometer
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
பைடு நூலகம்
到整个系统的好坏。光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。激光 的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产 生的光频率跳变的 “ 啁啾 ” 现象。近年来高速光纤传输系统的迅速发展，迫切要求高 速光波导调制器与之相适应。硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制 作成本上有着其他材料无可比拟的优势。现在许多传统的基于Ⅲ－Ⅴ 族材料的电光 调制器利用直接电光效应实现了 40GHz 高速电光调制，但是器件制作成本高,而且与 微电子工艺不兼容,而硅基材料是能够做到低成本光电集成的首选材料。工作波长位 于 1. 3µm 和 1. 55µm 光通讯波段的硅基高速电光调制器是国际研究的重点。硅基高 速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC )和光分插复用 (OADM) 系统中的核心器 件，而且在芯片光互联和光计算技术中也具有很大的应用前景。因此，开展硅基高 速电光调制器的研究意义重大。 硅材料中的电光效应分为直接电光效应和间接电光效应，其中直接电光效应包 括 Pockels ，Kerr 效应等，间接电光效应包括 F - K 效应，等离子色散效应等[8]。由于 体硅材料没有一阶电光效应，高阶电光效应又非常微弱，硅基高速电光调制的调制 机理一般都利用硅材料的等离子色散效应。等离子色散效应是一种间接电光效应， 它利用外加电场下。有源区自由载流子浓度的变化调制输出光波的幅值和相位从而 实现电光调制．基于这一效应还可以做硅基光开关。但是，由于受到载流子本身的复 合寿命的限制，器件的开关速度只能达到 MHz 量级。要想提高硅基电光调制和光开 关的速度，必须开发新的结构。目前国内外硅基调制器按电学结构划分主要有电子注 入结构，载流子耗尽结构和 MOS 电容结构等。它们与几种主要的光学调制结构结合 起来形成了电光调制器。
2
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
硅的折射率变化可达到 1.5× 10-3 与 GaAs 的电光效应相当， 这足以实现对光场的有效 调制。利用硅的等离子色散效应可以实现电光调制器，电光开关等，响应速度可达 纳秒甚至皮秒此。
1.2
硅基调制器的发展简述
光调制器是光纤通信系统中及其重要的一部分，光调制器的性能好坏直接影响
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□， 本论文属于 不保密□。 在 年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 指导教师签名： 日 日期： 年 月 日
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1 绪论
1.1 引言
硅－－－－最有希望的光子集成和光电子集成平台 [1~7] 。早 在 70 年代初，以 A． Yariv 和 K． Hayashi 为代表的一批科学家就提出一个诱人的发展方向－－－－光电 子集成（OEIC） 。他们受到微电子集成辉煌成就的鼓舞，期望把光电子与微电子 器件集成在一片基片上，从而获得在信息工程系统上的深远应用。因特网的革命 和电脑的广泛使用急切需要新技术，而光子和电子在这其中起着最基本的作用。 因此目前是将光子和电子结合的最佳时期。因此，大部分主要的半导体公司都在 积极地参与到无线电通信，数据通信及光电市场之中。光子和电子集成的两大优 势使其在数年前就表现出了不可想象的前景： （ 1）电子和光子的集成可以得到更 加完善的光网络，更大的带宽以及更低的成本； （2 ）CMOS 电路的低于 10GHz 的 互联瓶颈也促使了光子和电子的集成，以寻找适时地信号通道。经过多年的努力， OEIC 取得不少奠基性的成果，但近几年来发展速度放慢，原因在于光器件和电器 件在工艺上的差异性难以解决。另一种相似的技术，光子集成（ PIC ）则是将若干 光器件集成在同一基片上，器件之间以半导体光波导连接，如集成外腔单稳频激 光器，光子开关阵列，光接收机和光发射机等等。这种集成光电子芯片和光子芯 片无论在可靠性和成本方面都大大优于单个器件的组合，因而成为近几十年来国 际上的一个研究热点。 作为 OEIC 和 PIC 的候选材料之一，硅则展现出了很强的竞争力。硅材料最大 的优势是材料质量好，容易得到，成本低廉，工艺技术成熟。硅片产量高，可用芯 片的尺寸最大可达 12 寸，谓实现大尺寸的 OEIC 和 PIC 创造了条件。如表 1-1 所以， 给出了各种材料的比较。由于硅在微电子领域取得的巨大成功，对硅的各种物理性 质（包括光学性质和电学性质）人们研究得都很透彻。硅具有良好的机械性能和耐 高温冲击性能。硅在光通讯波段对光的吸收很小这使其在导波光学方面的应用成为 可能。硅光波导，耦合器，AWG 等许多无源光学器件都已实现。
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摘
要
硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无 可比拟的优势。现在许多传统的基于Ⅲ－Ⅴ族材料的电光调制器利用直接电光效应 实现了 40GHz 高速电光调制，但是器件制作成本高,而且与微电子工艺不兼容,而硅 基材料是能够做到低成本光电集成的首选材料。本文在湖北省重大自然科学研究基 金的资助下，对硅基调制器的理论模型和性能参数做了系统性的分析研究，设计了 硅基热光以及电光调制器结构，并对其进行模拟，完成的主要工作有以下几点： （1）基于硅材料的高热光系数，以及在 1550 波段的透明性，设计了硅基的热 光调制器，通过 Ansys 软件对其导热温度分布，及导热响应速度进行了模拟，并优 化了器件的结构参数； （2）根据等离子色散的原理，利用 Atlas 软件设计了双金属氧化半导体电容型 的硅基电光调制器，并对其结构进行优化设计，主要通过研究调制器的调制速度， 调制臂的长度，所加的电压之间的关系，调整器件的结构参数； （3）同样是基于等离子色散的原理，利用 Atlas 软件设计了 N-P-N 结构的硅基 电光调制器，在不同的反向偏压下，pn 的耗尽层宽度会有所变化，从而使得硅材料 的折射率发生变化，由此对光进行调制，通过改变结构参数，进行了一系列的模拟， 并得到一个相对优化的结果。
关键词： 硅基调制器
等离子色散效应
调制速度
马赫- 泽德干涉仪
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Abstract
Silicon is an extraordinary material in microelectronics due to the compatibility with standard CMOS platform and low cost. Nowadays, many Ⅲ－Ⅴ based electro-optic modulator can reach modulation speed as high as 40GHz. However, they are not so favorable for their high cost and non- compatibility with CMOS platform. Moreover, Silicon is the first choice for low cost optoelectronic integrated circuit (OEIC). Supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province, the theoretical model and several typical kinds of silicon based MZI modulator are introduced and studied in this thesis. The main contents are listed as follows: （1）Based on the high thermal-optical constant and the transparency of silicon at 1.55nm, a silicon based thermal-optic MZI modulator is designed. The thermal distribution and thermal conduct are simulated by using the software Ansys. The parameters are optimized. （2）Based on the carrier plasma dispersion effect, a forward biased pn junction structure is designed. Photonic crystal waveguide is introduced into this structure. The structure is designed by using the software Atlas, and the optimization has been done to the structure. （3）Based on the carrier plasma dispersion effect, a double MOS capacity structure is designed by using the software Atlas. The parameters are optimized by analyzing the modulation speed, the length of arm of the modulator as well as the applied voltage. （4） Also based on the carrier plasma dispersion effect, a N-P-N structure is designed. When reverse biased voltage is applied to pn junction, the depletion width of the pn junction will change according to the applied voltage, so as to change the index of silicon. An optimized result is achieved by changing the parameters of the structure. Keywords: Silicon based modulator Modulation speed Carrier plasma dispersion effect
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表 1-1 光子集成和光电子集成候选材料基本性能比较
硅的光学调制可以采取灵活的方式，既可以利用热光效应进行热光调制，也可 以利用等离子体色散效应进行电光调制。硅具有比二氧化硅大得多的热光系数，在 波长为 1.55µ m 时硅的热光系数为 2× 10-4 K-1 ，比二氧化硅大 20 倍左右。硅的热导率 也比二氧化硅也大很多（硅为 1.57w/cmK ，二氧化硅为 0.0138w/cmK ） 。因此，在利 用热光效应对光场进行调制时，硅基热光调制器件比二氧化硅热光调制器件具有较 快的速度和较小的功耗。 硅是中心反演对称晶体， 没有线性电光效应 （Pockels effect） ， 但是硅具有较强的等离子色散效应。当注入或耗尽载流子时，硅中载流子浓度的变 化会引起硅的折射率的变化。例如，在 1.3 µm 处，注入空穴浓度为 1.0× 1018 cm-3 时，
Mach-Zehnder Interferometer
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
பைடு நூலகம்
到整个系统的好坏。光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。激光 的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产 生的光频率跳变的 “ 啁啾 ” 现象。近年来高速光纤传输系统的迅速发展，迫切要求高 速光波导调制器与之相适应。硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制 作成本上有着其他材料无可比拟的优势。现在许多传统的基于Ⅲ－Ⅴ 族材料的电光 调制器利用直接电光效应实现了 40GHz 高速电光调制，但是器件制作成本高,而且与 微电子工艺不兼容,而硅基材料是能够做到低成本光电集成的首选材料。工作波长位 于 1. 3µm 和 1. 55µm 光通讯波段的硅基高速电光调制器是国际研究的重点。硅基高 速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC )和光分插复用 (OADM) 系统中的核心器 件，而且在芯片光互联和光计算技术中也具有很大的应用前景。因此，开展硅基高 速电光调制器的研究意义重大。 硅材料中的电光效应分为直接电光效应和间接电光效应，其中直接电光效应包 括 Pockels ，Kerr 效应等，间接电光效应包括 F - K 效应，等离子色散效应等[8]。由于 体硅材料没有一阶电光效应，高阶电光效应又非常微弱，硅基高速电光调制的调制 机理一般都利用硅材料的等离子色散效应。等离子色散效应是一种间接电光效应， 它利用外加电场下。有源区自由载流子浓度的变化调制输出光波的幅值和相位从而 实现电光调制．基于这一效应还可以做硅基光开关。但是，由于受到载流子本身的复 合寿命的限制，器件的开关速度只能达到 MHz 量级。要想提高硅基电光调制和光开 关的速度，必须开发新的结构。目前国内外硅基调制器按电学结构划分主要有电子注 入结构，载流子耗尽结构和 MOS 电容结构等。它们与几种主要的光学调制结构结合 起来形成了电光调制器。
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
硅的折射率变化可达到 1.5× 10-3 与 GaAs 的电光效应相当， 这足以实现对光场的有效 调制。利用硅的等离子色散效应可以实现电光调制器，电光开关等，响应速度可达 纳秒甚至皮秒此。
1.2
硅基调制器的发展简述
光调制器是光纤通信系统中及其重要的一部分，光调制器的性能好坏直接影响
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□， 本论文属于 不保密□。 在 年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 指导教师签名： 日 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1 绪论
1.1 引言
硅－－－－最有希望的光子集成和光电子集成平台 [1~7] 。早 在 70 年代初，以 A． Yariv 和 K． Hayashi 为代表的一批科学家就提出一个诱人的发展方向－－－－光电 子集成（OEIC） 。他们受到微电子集成辉煌成就的鼓舞，期望把光电子与微电子 器件集成在一片基片上，从而获得在信息工程系统上的深远应用。因特网的革命 和电脑的广泛使用急切需要新技术，而光子和电子在这其中起着最基本的作用。 因此目前是将光子和电子结合的最佳时期。因此，大部分主要的半导体公司都在 积极地参与到无线电通信，数据通信及光电市场之中。光子和电子集成的两大优 势使其在数年前就表现出了不可想象的前景： （ 1）电子和光子的集成可以得到更 加完善的光网络，更大的带宽以及更低的成本； （2 ）CMOS 电路的低于 10GHz 的 互联瓶颈也促使了光子和电子的集成，以寻找适时地信号通道。经过多年的努力， OEIC 取得不少奠基性的成果，但近几年来发展速度放慢，原因在于光器件和电器 件在工艺上的差异性难以解决。另一种相似的技术，光子集成（ PIC ）则是将若干 光器件集成在同一基片上，器件之间以半导体光波导连接，如集成外腔单稳频激 光器，光子开关阵列，光接收机和光发射机等等。这种集成光电子芯片和光子芯 片无论在可靠性和成本方面都大大优于单个器件的组合，因而成为近几十年来国 际上的一个研究热点。 作为 OEIC 和 PIC 的候选材料之一，硅则展现出了很强的竞争力。硅材料最大 的优势是材料质量好，容易得到，成本低廉，工艺技术成熟。硅片产量高，可用芯 片的尺寸最大可达 12 寸，谓实现大尺寸的 OEIC 和 PIC 创造了条件。如表 1-1 所以， 给出了各种材料的比较。由于硅在微电子领域取得的巨大成功，对硅的各种物理性 质（包括光学性质和电学性质）人们研究得都很透彻。硅具有良好的机械性能和耐 高温冲击性能。硅在光通讯波段对光的吸收很小这使其在导波光学方面的应用成为 可能。硅光波导，耦合器，AWG 等许多无源光学器件都已实现。