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母子微环结构的集成光分插复用器

母子微环结构的集成光分插复用器

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作者：阎海清华大学

学位级别：硕士

随着计算机芯片处理速度的提高和多核技术的发展，对芯片内的数据传输提出了更高的要求。传统的电互连由于延时、带宽和功耗上的限制越来越难以满足这种要求。片上光互连，特别是采用了波分复用技术以后，具有带宽大、功耗低、串扰小等... 详细信息

随着计算机芯片处理速度的提高和多核技术的发展，对芯片内的数据传输提出了更高的要求。传统的电互连由于延时、带宽和功耗上的限制越来越难以满足这种要求。片上光互连，特别是采用了波分复用技术以后，具有带宽大、功耗低、串扰小等优点，有望突破电互连的瓶颈，大幅提高芯片内的数据传输能力。在波分复用片上光互连网络中，集成光分插复用器是实现光信号路由功能的关键器件。本文针对微环结构的集成光分插复用器目前存在的三个关键问题：扩展自由光谱范围、获得均匀分布的信道间隔和提高通带形状系数，提出了一种“母子微环”的新结构。这种结构利用半径不同的微环级联，获得更宽的自由光谱范围;利用同一个微环（母环）的谐振峰同时处理多个信道，在较大的波长范围内获得了均匀的信道间隔;利用多环级联的结构获得高阶滤波响应，有效抑制信道间的串扰。具体的工作内容和成果包括：在模拟仿真方面，利用传输矩阵方法计算了器件各输出端口的透射谱，验证了器件的功能。特别是推导出了获得平顶滤波响应时各耦合区耦合系数的最优关系表达式，分析了工艺误差对器件性能的影响，并总结了器件的设计原则。在制备工艺方面，制备了母子微环结构的四路光分插复用器。我们不仅自行摸索了制备的工艺流程和条件，而且还委托代工厂加工了芯片，验证了与标准CMOS工艺的兼容性。在我们自己的工艺摸索过程中，针对波导上方SiO2覆盖层起伏过大而影响热电极制备质量的问题，摸索出了首先用PECVD沉积一层SiO2，再覆盖一层旋涂玻璃的新方案，既保证了覆盖层表面的平整度，又不影响硅波导的传输损耗。在器件测试方面，我们在已有光纤-波导耦合测试平台的基础上，改进了原有的热调控测试方法。通过热光效应调节4个子环的谐振波长同时对应母环的4个谐振波长，实现了4路的光分插复用的功能。其通带带宽为0.15nm-0.25nm，下载损耗只有2dB，直通端消光比可达18dB，而信道串扰小于-20dB。通过对各个小环进行热调控，还可以单独控制每一个信道从直通端或下载端输出。实验中，热调控的效率达到0.27nm/mW。

关键词：硅光子学集成光分插复用器微环谐振腔热光效应 CMOS工艺

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硅基集成光分插复用器和狭缝波导

硅基集成光分插复用器和狭缝波导

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作者：肖贤清华大学

学位级别：硕士

硅光子集成器件由于能够采用CMOS标准工艺进行大规模制造而备受学术界和产业界的关注。硅光子集成器件的一个重要应用就是应用于高性能处理器的片上光互连。相比于传统的电互连技术,将光作为信号传输的载体具有高数据传输速率、高带宽... 详细信息

硅光子集成器件由于能够采用CMOS标准工艺进行大规模制造而备受学术界和产业界的关注。硅光子集成器件的一个重要应用就是应用于高性能处理器的片上光互连。相比于传统的电互连技术,将光作为信号传输的载体具有高数据传输速率、高带宽、低能耗、抗电磁干扰、低相邻信号串扰、无需阻抗匹配等优点。在芯片上的高速波分复用传输链路中,集成型光分插复用器是实现波分复用信道路由的关键器件。本文针对如何增加集成型光分插复用器的信道数目和提高光路由切换速度开展了实验工作。硅光子集成器件另一个研究热点是片上实验室(Lab on a chip),可以将生物成像、标记、传感,医学的定位和表达等生化功能集成在芯片上,可有效地减少合成和分析样品的时间,更好的控制分子浓度和相互反应,以及减小试剂用量及化学废料。片上实验的工作波段为可见光,一种可能的解决方案是采用硅衬底上制备的氮化镓(GaN)材料来同时实现光源和波导,既利用了氮化硅光源发光效率高的特点,还可以使器件尺寸更加紧凑,并且波导的对准将更加精准。为了克服氮化镓在可见光波段的材料吸收,借鉴我们之前提出的利用狭缝型波导实现全硅光子集成回路的思路,本论文对低损耗的GaN狭缝波导进行仿真优化。具体的工作成果和内容包括:1、委托代工厂利用CMOS兼容的工艺制备了8路热调OADM芯片,搭建了新的光纤-波导耦合测试平台并对芯片进行了测试。测试结果表明,平均通带带宽为0.36 nm,平均下载损耗为2.6 dB,上传损耗为2.2 dB,平均通带形状系数为0.3,相邻同奇偶信道间串扰约为-20 dB。2、对4路电调光分插复用器进行了制备和测试。实现了信道的下载功能,下载损耗为8dB,3-d B带宽为0.1 nm,电注入调控效率为0.22 nm/mA;同时分析了电调光分插复用器性能受影响的原因,并给出了具体解释和提出了解决方法。3、针对工作波长为40000 nm的GaN狭缝波导进行了优化设计和仿真计算。当仅考虑由材料吸收引起的传输损耗时,优化后的GaN狭缝波导的传输损耗为0.4-1.0 dB/cm;进一步考虑由侧壁粗糙引起的散射损耗后,当粗糙度标准差为1 nm时,总损耗约为1-2.5 dB/cm。这些结果表明GaN波导非常有潜力作为可见光波段的传输线,并应用于片上实验室系统中。

关键词：硅光子集成器件集成光分插复用器片上实验室狭缝波导

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