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上海交通大学 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, 同意学校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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 本学位论文属于 必威体育官网网址口,在一一年解密后适用本授权书。 不必威体育官网网址时 (请在以上方框内打..; ) 学位论文作者签名:科 日期:);J I) 年 1 月 4 日 指导教师签名:罗五 μ 日期:μβ年 1 月 Y 日 2 万方数据 摘 摘 要 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 硅基光调控及耦合器研究 摘 要 在电子行业中,硅基芯片占据着主导地位,给世界带来了革命性 的变化。一块指甲大的硅基电子芯片上单元器件的数量以摩尔定律快 速地增长着:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔 18 个月便会 增加一倍,性能也将提升一倍。然而,随着数字通信、互联网的快速 发展,对通信器件的带宽要求越来越高,传统电器件中的铜互连技术 越来越接近极限,亟待一个新的互连技术来打破这个瓶颈。光通信技 术可以在长距离下传输大于 1T 的信息量,而保持一定的误码率,因 而全光互连成为一种替代的解决方案。全球的学术界和工业界都掀起 了集成光电子芯片的研究热潮。 在所有提出的全光互连的技术中,基于绝缘体上硅结构(SOI) 的技术引起了研究人员的广泛关注。尤其是硅基调制器的出现,突破 了硅间接带隙难以调制光的障碍,加上硅低成本、结构紧凑、低功率、 低损耗以及可以利用已有的互补金属氧化物半导体(CMOS)加工技 术等特点,使得硅基光子芯片被认为是构建集成光子器件的理想平 台,有望在未来带来光通信领域的又一次革命。 本论文围绕硅基纳米光器件—硅基光调控及耦合器,进行了深入 的研究,展开了如下工作。首先研究了硅基纳米光调制器—相位调制 器的实现方案,提出了一个基于低损耗表面等离子体光波导和高非线 性聚合物的相位调制器,并利用该调制器实现了片上高阶调制码型正 交幅度调制 16-QAM 的产生;其次利用高光束缚性的表面等离子体波 导和高非线性系数的聚合物实现了一个片上的高增益宽带宽的光参 量放大器,实现光的放大;在光无源器件—耦合器方面,主要针对两 第 I 页 个不同波导—硅基带状波导和硅基狭缝波导,设计一个高耦合效率、 低耦合长度的正交耦合器。 1. 硅基电光相位调制器的实现方法 相位调制器是光通信中最基本也是最不可或缺的一个元器件。相 位调制器可以实现将电基带信号调制成光相移键控 PSK 信号,也可 以组成各种幅度调制器实现光幅度调制(ASK)。本文采用一个低损 耗高束缚性的硅基表面等离子体波导,结合高非线性系数的聚合物, 实现了一个调制电压·调制长度积小,调制带宽大,功耗低的相位调 制器。 2.硅基单片集成 16-QAM 调制器 高阶 正 交 幅 度 调 制 码型 16-QAM 因其 比 普 通 的 幅 移 键 控 码 (ASK)和差分相移键控码(DPSK)每个符号携带更多的比特信息, 从而大大提高传输信号的速率,而受到广泛关注和研究。本文利用上 文提出的表面等离子体相位调制器,实现了 16-QAM 码型的产生。通 过巧妙地利用表面等离子体波导的本征损耗,我们提出的硅基单片集 成 16-QAM 调制方案节约了一个光衰减器,且只用了两个相位调制 器,大大简化了结构,插入损耗也比较低。 3.片上硅基光参量放大器 光放大器是光通信系统中一个基本器件,类别上分为掺杂增益离 子光放大器、拉曼放大器以及光参量放大器(OPA)。前两者依赖于 离子特性或拉曼特性,增益峰值和增益带宽受到限制。而光参量放大 器采用材料的非线性特性,可以达到很高的增益和很宽的带宽,并且 中心波长可以任意设置。本文利用表面等离子体波导的高束缚性和高 光场增强性,并结合聚合物的高非线性,获得了很高的非线性系数。 我们独特地引入了一个负的非线性系数的聚合物,满足了相位匹配条 第 II 页 件,从而实现了一个带宽具有约 1 μm 的光参量放大器,约为已有方 案的 10 倍,且其峰值增益可达 20 dB。 4.硅基狭缝波导的耦合方案研究 硅基狭缝波导可以将光场束缚在小至约 50 nm 的狭缝中,极大地 提高了芯片的集成度,因而引起了广泛的关注。研究员们针对硅基狭 缝波导提出了许多应用,如相位调制器(PM)、谐振器、滤波器、波 长转换器等。然而,由于波矢和光场的不匹配,将光从光纤或其他外 部光源如何耦合入只有 50 nm 的狭缝中是一个难题。而光纤到硅基带 状波导的耦合研究员们已经进行了深入的研究并取得了较高的耦合 效率。因此,我们可以通

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