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硅基光波导开关研究

王皖君  
【摘要】:随着集成电路的飞速发展,传统的电互连技术在速度、带宽、功耗等方面遭遇了一系列瓶颈,严重的制约了集成电路的发展。片上光互连为这一技术难题的解决提供了一种可行的方案。基于SOI平台的硅光子技术,以其低廉的成本,广泛的材料来源,以及与现有的微电子加工平台良好的兼容性等方面的优势,在片上光互连系统的实现上有着得天独厚的优势,引起了学术界、产业界的广泛关注并在近十年得到了突飞猛进的发展。片上互连技术中的关键即把传统分立的光通信元器件在利用商业的CMOS工艺线在单片上实现,构建片上光网络,并和现有集成电路集成。在片上光网络中,和光源的产生、信号的调制、光网络路径切换、信号探测的相对应的关键元器件分别为激光器、光调制器、光开关、光探测器。本文的研究目的是设计并制作高性能光开关单元和基于多个光开关单元组合的多功能硅基光子集成器件。本文的贡献和创新主要在以下五个方面: 1.设计分析和研制了一系列2×2硅基电光开关单元器件。利用国内杭州士兰0.8-μm的商业CMOS线制备了一种基本的2×2型光开关单元器件;并利用IME 0.18μm CMOS线制作了改进的级联兼具监测,衰减功能模块的2×2型光开关,实验测得:开关的速度小于6.8ns,在可变衰减器的辅助下,串扰可低于-24.5dB.对应的最大功耗为30.4mw,同时可以对光开关输出端口的光功率进行监测;针对硅基开关中存在的串扰问题,设计了一种级联型的串扰极低的光开关,理论上串扰低于-40 dB。 2.设计分析和研制了1×N型硅基多路光开关单元器件。采用士兰0.8-μm商业CMOS工艺线制作了1×3型低串扰电光开关,串扰小于-21.1 dB,消光比大于21.1dB,开关的速度小于15.3 ns,功耗小于12.8 mw。 3.针对多路开关中的相移臂过多,控制复杂的问题,提出了一种N×N型单一组合相移臂控制热光多路开关,仅需要控制一个单一组合相移臂即可完成所有开关状态的切换,结构简单,紧凑,控制方便等特点。采用IME 0.18-μm CMOS工艺线制作了单一组合相移臂控制的3×3型热光开关速度小于20μs,最大热功耗为97.5 mw,平均串扰-11.1 dB,该设计方案可以扩展到更多的端口也不需要增加额外的相移臂。 4.设计分析和研制了一种多功能光子集成器件——四端口高速马赫曾德型电光路由器,它由4个级联1×3电光开关构成,可以实现4个端口中任意2个端口的同时链接,同时兼具广播功能,任何一个端口的信号都可以被均匀的广播到其他三个端口。采用0.18μm CMOS工艺线制作了此器件,在链接模式下,速度小于5.5 ns,功耗小于20 mw。 5.理论上分析了一种偏振无关的基于填充电光聚合物的十字狭缝波导的电光相移臂,可为未来设计高速,低功耗,低偏振相关的电光开关服务,并给出了一种简单可行的加工制作方法。


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