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超高调制效率高速硅基微环调制器设计、仿真、实现与测试

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超高调制效率高速硅基微环调制器设计、仿真、实现与测试

作者：张维上海交通大学

学位级别：硕士

云计算和大数据崛起的大背景下,芯片传输的数据量呈现爆发式增长,光传输相对于电传输带宽更大、损耗更小、功耗更低,所以片上数据传输逐渐呈现“铜退光进”的趋势。由于硅在红外通信波段透明并且能够与目前CMOS工艺兼容,硅基光电子逐渐... 详细信息

云计算和大数据崛起的大背景下,芯片传输的数据量呈现爆发式增长,光传输相对于电传输带宽更大、损耗更小、功耗更低,所以片上数据传输逐渐呈现“铜退光进”的趋势。由于硅在红外通信波段透明并且能够与目前CMOS工艺兼容,硅基光电子逐渐成为新的研究方向。电光调制器作为硅基光电子最重要器件之一,研究高调制效率的高速硅基微环调制器具有重要现实意义。本文提出一种基于压应变Si Ge及异型PN结结构的新型电光微环谐振调制器,通过优化设计、工艺实验及验证优化,在传统耗尽型微环调制器的基础上,采用硅波导上的外延压应变p-Si Ge层,有效地降低空穴有效质量,增加垂直P-Si Ge/n-Si结结面积,提高器件调制速率和低功耗;并在微环波导层采用波浪形异型PN结结构,扩大轴向PN结结面积,进一步提高器件调制效率,最终实现高调制效率的高速电光调制。实际工艺中使用一次光刻金属沉积同时制备Ti/Ti N/Al电极与50Ω电阻。单晶外延质量、接触电阻、掺杂方块电阻、50Ω匹配电阻、调制器光学特性、调制器直流电学特性经测试分析数据后都符合预期。最终测得传统微环调制器调制效率2.24V·cm,而波浪型PN结微环调制器和外延p-Si Ge微环调制器调制效率分别为1.88V·cm和0.74V·cm,调制效率有明显提升并且最高调制速率可以达到30Gbps。综上所述,本论文研究提出的基于应变p-Si Ge及波浪型PN结微环谐振调制器是实现一种高速调制速率和高调制效率的有效方法。

关键词：硅基光电子微环调制器调制效率调制速度应变SiGe PN结

不同可见光接收元件对LED调制效率影响研究

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上海第二工业大学学报 2021年第3期38卷 219-222页

作者：宋素真桂林张华魏巍郑艺璇韦晓琪上海第二工业大学计算机与信息工程学院上海201209

针对提升可见光通信(visible light communication,VLC)信息传输效率问题,研究了不同光接受元件下发光二极管(light emitting diode,LED)调制效率问题。VLC系统通过光接收元件接收发端的可见光信号,以确保信号的有效传输。在偏压为3.4 V... 详细信息

针对提升可见光通信(visible light communication,VLC)信息传输效率问题,研究了不同光接受元件下发光二极管(light emitting diode,LED)调制效率问题。VLC系统通过光接收元件接收发端的可见光信号,以确保信号的有效传输。在偏压为3.4 V,发射端与接收端之间距离为10 cm的实验条件下,测量并比较了接收端为LED、硅光电池和光电传感器时,白光LED的调制效率。根据实验数据和拟合的结果表明:当硅光电池为光接收元件时,发射端的LED调制效率最高,线性度较好,一次拟合的R 2数值可以达到0.95以上;当光电传感器为光接收元件时,其调制效率为硅光电池调制效率的66.15%∼82.67%;当LED为接收元件时,在调制效率较高的2.2∼5.0 V(峰-峰值)区域内,其调制效率仅仅为硅光电池的34.48%。

关键词：可见光通信发光二极管光接收元件非线性调制效率

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硅基石墨烯光调制器效率提升技术研究

硅基石墨烯光调制器效率提升技术研究

作者：缪庭东南大学

学位级别：硕士

作为第五代移动通信技术及高速光互联网络的关键器件,光调制器需具备高集成度、高稳定性、高带宽、高效率、低能耗、低成本等特性,传统光调制器已较难满足以上需求。石墨烯作为一种二维材料,具有宽带吸收、高载流子迁移率、超强导电性... 详细信息

作为第五代移动通信技术及高速光互联网络的关键器件,光调制器需具备高集成度、高稳定性、高带宽、高效率、低能耗、低成本等特性,传统光调制器已较难满足以上需求。石墨烯作为一种二维材料,具有宽带吸收、高载流子迁移率、超强导电性、零带隙等优点,是构成高性能光调制器的极佳选择之一。然而,目前提出的硅基石墨烯光调制器（Si-GM）大多基于脊形波导结构,通过波导上方嵌入石墨烯调制倏逝波,调制效率低。本文集中研究Si-GM调制效率提升技术。论文首先从石墨烯电光响应模型出发,推导并建立了考虑外加电压作用下石墨烯电光响应、波导模场分布变化、互作用区传送光波与外加电场的耦合过程等因素的Si-GM调制效率模型。提出了光场与外加电场互作用的耦合系数离散化分析方法,获得较为准确的耦合系数,为分析Si-GM调制效率的影响因素、找到提升调制效率的途径提供有效工具。接着,提出了基于亚波长光栅（SWG）的Si-GM结构,采用楔形SWG实现入出口处光波模式间转换,使得SWG有源区波导Bloch模与外加电场互作用更强,耦合系数更高,仿真结果表明其与条形波导Si-GM相比,调制效率高15%,损耗低205d B/cm。提出了基于连续域束缚态（BIC）机理的Si-GM结构,损耗低,制备工艺简单,TM模光场与外加电场互作用较强,耦合系数较高,仿真结果表明其与条形波导Si-GM相比,调制效率高50%。分析并优化设计了由硅衬底、Hf O绝缘层和ZEP520A聚合物芯层构成的BIC Si-GM,分别讨分析了各层厚度与宽度对调制效率、损耗的影响,权衡优化出结构参数。仿真结果表明在1.2～2.0μm波长范围内,BIC Si-GM调制效率先增大后减小,1.31μm时达到最大值0.06 Vcm;石墨烯性能对相位调制影响较小。与已报道的其它波导结构Si-GM仿真结果相比,本文提出的BIC Si-GM调制效率、调制带宽具有较大优势。然后,找出硅基脊/条形波导芯层边缘存在畸变场的原因,从进一步提高调制效率的角度出发,提出了基于梯/弧形脊波导、梯形条波导结构的Si-GM,发现倒梯形脊波导结构的调制效率高,倒梯形条波导可将光场挤压至波导上半部分,且两侧畸变场向中间移动,提高了石墨烯调制范围内光场强度。提出了基于梯形聚合物芯层的BIC Si-GM波导结构,上底长为40nm时调制效率为0.04Vcm、光损耗为303d B/cm。提出了基于梯形狭缝波导的BIC Si-GM,调制效率可达0.039Vcm。为基于新型波导结构Si-GM的研究提供了新的思路。最后对全文进行总结,提出进一步优化Si-GM调制效率模型、器件结构的构想,展望了高速宽带Si-GM的未来。

关键词：石墨烯硅基光调制器调制效率连续域束缚态波导畸变场

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MEMS磁力线聚集和垂动调制磁场传感器

国防科技大学学报 2014年第4期36卷 129-133,168页

作者：田武刚胡佳飞潘孟春赵建强胡靖华国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073

针对巨磁阻和磁隧道结等磁阻元件的1/f噪声,提出一种采用微机电系统的磁力线聚集和垂动调制磁场传感器。通过将被测磁场从低频转移到几kHz,实现对磁场的DC/AC转化,从而减小了磁阻元件的1/f噪声。基于该方案采用多层膜巨磁阻元件AA002制... 详细信息

针对巨磁阻和磁隧道结等磁阻元件的1/f噪声,提出一种采用微机电系统的磁力线聚集和垂动调制磁场传感器。通过将被测磁场从低频转移到几kHz,实现对磁场的DC/AC转化,从而减小了磁阻元件的1/f噪声。基于该方案采用多层膜巨磁阻元件AA002制作了磁场传感器样品,并进行了实验测试,结果表明:磁传感器样品的调制效率达到了19.3%,超过了已有的其他各种调制方案,同时低频磁场的探测能力达到槡120pT/Hz,相比巨磁阻元件AA002提高了40多倍。

关键词： 1 f噪声调制效率磁力线聚集器磁场传感器微机电系统

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一种新型消息驱动跳频系统及其性能分析

哈尔滨工程大学学报 2020年第9期41卷 1384-1390页

作者：宁晓燕宁宇孙志国彭爽王秋滢哈尔滨工程大学信息与通信工程学院黑龙江哈尔滨150001

为了提高常规跳频系统的频谱效率,近年来消息驱动型跳频技术被提出。它采用信息序列代替伪随机序列选择跳频频点,调制效率大幅提升,其代价是接收端需要全频带接收以判断跳频点位置,解调复杂度较高,同时系统性能受衰落信道的影响较大。... 详细信息

为了提高常规跳频系统的频谱效率,近年来消息驱动型跳频技术被提出。它采用信息序列代替伪随机序列选择跳频频点,调制效率大幅提升,其代价是接收端需要全频带接收以判断跳频点位置,解调复杂度较高,同时系统性能受衰落信道的影响较大。为了解决消息驱动跳频实现复杂度过高的问题,本文提出一种基于IFFT/FFT架构的新型消息驱动跳频系统,并在该架构下设计了一种新型OG-2FSK映射方式,对该调制方式在高斯白噪声信道和多普勒频移信道下的理论误码率公式进行了推导。仿真结果验证了公式推导的正确性,并表明在多普勒频移信道下,所提出的OG-2FSK映射方式比传统的BPSK具有更好的误码率性能。

关键词：快速傅里叶变换 OFDM 跳频同步高斯白噪声误码率伪随机序列调制效率

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热光聚合物微环谐振腔滤波器的研究

光电子．激光 2012年第9期23卷 1727-1731页

作者：范卓妮恽斌峰胡国华闫以建崔一平东南大学先进光子学中心江苏南京210096

设计并制备了一种热光聚合物微环谐振腔滤波器。微谐振环采用跑道型结构,通过光束传播法(BPM)对其弯曲半径进行了设计和优化。采用传统的接触式光刻曝光工艺制备了微环谐振腔滤波器并对其进行了光谱测试,实验结果表明,所设计的器件在1 5... 详细信息

设计并制备了一种热光聚合物微环谐振腔滤波器。微谐振环采用跑道型结构,通过光束传播法(BPM)对其弯曲半径进行了设计和优化。采用传统的接触式光刻曝光工艺制备了微环谐振腔滤波器并对其进行了光谱测试,实验结果表明,所设计的器件在1 550nm附近的自由光谱范围(FSR)为112pm,消光比约为12.8dB,3dB带宽约为0.026nm,品质因子Q为5.96×104,调制效率是6.13pm/mW;同时测量了器件的响应时间,得到的响应时间约为1.5ms。

关键词：集成光学微环谐振腔热光调谐调制效率

一种新型光域PAM4调制器及关键性能建模分析

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半导体光电 2021年第2期42卷 185-190页

作者：陈莹刘丰满隗娟何慧敏薛海韵孙瑜郑奇王启东中国科学院微电子研究所北京100029 中国科学院大学北京100049 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司江苏无锡214135

四级脉冲幅度调制(PAM4)在高速串行链路系统中的地位日益提高,受到越来越多的关注。传统的行波马赫-曾德尔调制器(TWMZM)的分光比为1∶1,文章提出了一种非对称光强的行波马赫-曾德尔调制器(Asymmetric Power TWMZM,AP-TWMZM),并对输入... 详细信息

四级脉冲幅度调制(PAM4)在高速串行链路系统中的地位日益提高,受到越来越多的关注。传统的行波马赫-曾德尔调制器(TWMZM)的分光比为1∶1,文章提出了一种非对称光强的行波马赫-曾德尔调制器(Asymmetric Power TWMZM,AP-TWMZM),并对输入端分光比进行独立推算,得到分光比的值为4∶1。Lumerical软件的建模仿真结果表明,在插入损耗和消光比与TWMZM相当的情况下,AP-TWMZM具有更高的调制效率和更好的线性度,其线性度高达0.948。

关键词：行波调制器分光比调制效率线性度链路

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一种新型室内可见光通信调制技术

光通信研究 2020年第4期4期(16)卷 26-30页

作者：冯祎北方工业大学信息学院北京100144

基于白光发光二极管室内可见光通信系统的调制带宽有限,在调制带宽受限的条件下,如何进一步提升通信速率成为研究难点。文章设计了一种多进制变幅度变周期的调制技术,给出了调制符号结构及符号参数配置,详细分析、对比了该调制方式与开... 详细信息

基于白光发光二极管室内可见光通信系统的调制带宽有限,在调制带宽受限的条件下,如何进一步提升通信速率成为研究难点。文章设计了一种多进制变幅度变周期的调制技术,给出了调制符号结构及符号参数配置,详细分析、对比了该调制方式与开关键控、脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制方式的带宽需求、传输容量、平均发射功率和误包率。仿真结果表明,相对于常用的数字基带调制方式,多进制变幅度变周期的调制技术占用调制带宽低、符号传输容量高且无需符号同步,提高了调制效率,也有效地提高了系统的通信速率。

关键词：可见光通信调制效率变周期调制

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低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究

低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究

作者：尹承静天津科技大学

学位级别：硕士

铌酸锂晶体具有优良的声光、压电以及非线性光学特性,其中Y切铌酸锂具有较高的机电耦合系数,可以有效地激发声表面波,因此是制作声光制器的首选切向之一。另一方面,利用薄膜结构可以更好地限制声表面波的传输。因此,在铌酸锂薄膜材料上... 详细信息

铌酸锂晶体具有优良的声光、压电以及非线性光学特性,其中Y切铌酸锂具有较高的机电耦合系数,可以有效地激发声表面波,因此是制作声光制器的首选切向之一。另一方面,利用薄膜结构可以更好地限制声表面波的传输。因此,在铌酸锂薄膜材料上制作波导声光调制器,不仅可以充分利用材料的性能,还能利用结构的优势进一步提高器件的调制效率,降低插入损耗。本课题针铌酸锂薄膜光波导声光调制器进行了一系列理论和实验研究,所获成果具有重要的理论意义和实用价值。本论文所开展的工作包括:一、铌酸锂薄膜波导声光调制器的设计,1)材料的选择-综合考虑光波导和叉指换能器对材料的要求,选择0度Y切铌酸锂单晶薄膜作为初始材料;2)光波导的设计-选择MZ型波导为基本制作单元,MZ波导工作区两臂的中心间距15μm,长度1.8mm,线宽4.8-5.5μm,对输入输出端Y分支结构进行了优化;3)叉指换能器的设计-叉指宽度设为7.5μm,叉指长度设为1mm,中心间距为15μm,电极厚度为300nm,叉指对数为8。二、铌酸锂薄膜波导声光调制器的制作,1)使用缓冲质子交换技术制备平面光波导。缓冲液浓度分别为1.5%,2%,3%,在同一温度(245℃)下交换不同时间(32h,54h,70h)制备出平面光波导,用棱镜耦合法测量了所制备的平面光波导的折射率分布,计算出其波导深度(1.6μm,1.8μm,1.3μm);2)对不同浓度下交换获得的样品进行了抗腐蚀性能研究,结果表明浓度为3%的缓冲液有利于光波导的制作。最终选择MZ光波导的制作条件为3%浓度的缓冲液中245℃下交换90h,360℃下退火4h10min。三、铌酸锂薄膜波导声光调制器的光学性能表征,1)测量光插入损耗,利用端面耦合测试系统,测量了一系列光波导的插入损耗,其中最小值为1.7d B,符合低损耗的标准(Insertion Loss调制效率,由于实验设备的限制,只能通过观察MZ波导两臂的光强分布来判断其调制效率的高低。本文利用缓冲质子交换技术成功在Y切铌酸锂薄膜上制备出了MZ型光波导,损耗可低至1.7d B,为下一步波导声光调制器的制作奠定了基础。

关键词：声光调制器光波导缓冲质子交换插入损耗近场模式调制效率