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硅基的环形谐振腔光调制器和光开关的研究

王帆  
【摘要】: 光调制器和光开关是光通信网络中的核心器件,对光通信网络的构建起到重要的作用。基于平面集成技术制作的光调制器和光开关具有低成本、结构紧凑、高集成度等优点,但目前仍有许多难点没有解决,如功耗、速度、消光比等。 基于环形谐振腔的光调制器和光开关是近年来发展出的新技术,有望应用于未来大规模的集成光路中。环形谐振腔无需制作反射端面或光栅就可以实现光场的反馈,非常适合利用平面光波导工艺加工。它紧凑的结构有利于提高器件的集成度,谐振特性可以显著减小所需的调制相位量,降低功耗。采用高折射率差的绝缘体上硅(SOI)材料,可以实现超小弯曲半径的谐振环,其制作工艺与成熟的微电子加工工艺相兼容。利用硅的载流子注入效应,调制速度已高达几十Gbits/s,对于实现高速的集成光电子器件有很大的潜力。本论文基于SOI材料,从理论与实验上对应用于光调制器和光开关的环形谐振腔进行了深入的研究。本论文的创新意义主要体现在以下四个方面: 1.针对目前已有的基于环形谐振腔的光调制器和光开关,本文比较了各结构的调制灵敏度,以及实现10dB的消光比所需的相位变化。分析表明,非对称的光谱响应或调制曲线可以增强调制灵敏度,减小调制所需的相位变化,降低功耗。 2.本文揭示了双总线耦合的环形谐振腔作为双光束干涉器的潜力。通过对两输入相干光的相位差控制,可以在输出光谱中获得非对称的Fano谐振光谱响应。这种技术提供了一种利用环形谐振腔产生Fano谐振响应的方案,可用于制作光调制器、光开关和传感器等。 3.本文提出了一种基于Fano谐振的交叉型环形谐振腔结构的光开关。它作为一种改进的马赫-曾德尔光开关,结构简单紧凑,适宜用平面光波导工艺加工。此开关具有在关态和开态都可以实现高消光比和低串扰的优点。 4.在实验方面,采用SOI材料,利用成熟的微电子生产线代工,成功制作出多种环形谐振腔调制器。其中单总线耦合的环形谐振腔调制器,实现了10dB的消光比,其注入电流小于7mA。环加强型的马赫-曾德尔调制器,注入电流小于5mA。利用耦合双环结构替代交叉型环形谐振腔,制作出基于Fano谐振的光开关。在其输出光谱中观察到了明显的非对称Fano谐振曲线。并通过注入电流,验证了干涉臂上和环上的相位改变对非对称的输出光谱曲线的调节作用。


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