硅基光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)研究.pdf

1、隨著集成電路的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電互連技術(shù)在速度、帶寬、功耗等方面遭遇了一系列瓶頸，嚴(yán)重的制約了集成電路的發(fā)展。片上光互連為這一技術(shù)難題的解決提供了一種可行的方案?；赟OI平臺(tái)的硅光子技術(shù)，以其低廉的成本，廣泛的材料來(lái)源，以及與現(xiàn)有的微電子加工平臺(tái)良好的兼容性等方面的優(yōu)勢(shì)，在片上光互連系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，引起了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注并在近十年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。片上互連技術(shù)中的關(guān)鍵即把傳統(tǒng)分立的光通信元器件在利用商業(yè)的C

2、MOS工藝線在單片上實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建片上光網(wǎng)絡(luò)，并和現(xiàn)有集成電路集成。在片上光網(wǎng)絡(luò)中，和光源的產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制、光網(wǎng)絡(luò)路徑切換、信號(hào)探測(cè)的相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵元器件分別為激光器、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光探測(cè)器。本文的研究目的是設(shè)計(jì)并制作高性能光開(kāi)關(guān)單元和基于多個(gè)光開(kāi)關(guān)單元組合的多功能硅基光子集成器件。本文的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新主要在以下五個(gè)方面：
　　 1.設(shè)計(jì)分析和研制了一系列2×2硅基電光開(kāi)關(guān)單元器件。利用國(guó)內(nèi)杭州士蘭0.8-μm的商業(yè)CMOS線制備了

3、一種基本的2×2型光開(kāi)關(guān)單元器件；并利用IME0.18μm CMOS線制作了改進(jìn)的級(jí)聯(lián)兼具監(jiān)測(cè)，衰減功能模塊的2×2型光開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得：開(kāi)關(guān)的速度小于6.8ns，在可變衰減器的輔助下，串?dāng)_可低于-24.5dB，對(duì)應(yīng)的最大功耗為30.4mw，同時(shí)可以對(duì)光開(kāi)關(guān)輸出端口的光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)；針對(duì)硅基開(kāi)關(guān)中存在的串?dāng)_問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種級(jí)聯(lián)型的串?dāng)_極低的光開(kāi)關(guān)，理論上串?dāng)_低于-40 dB。
　　 2.設(shè)計(jì)分析和研制了1×N型硅基多路光開(kāi)關(guān)單元器

4、件。采用士蘭0.8-μm商業(yè)CMOS工藝線制作了1×3型低串?dāng)_電光開(kāi)關(guān)，串?dāng)_小于-21.1 dB，消光比大于21.1dB，開(kāi)關(guān)的速度小于15.3 ns，功耗小于12.8 mw。
　　 3.針對(duì)多路開(kāi)關(guān)中的相移臂過(guò)多，控制復(fù)雜的問(wèn)題，提出了一種N×N型單一組合相移臂控制熱光多路開(kāi)關(guān)，僅需要控制一個(gè)單一組合相移臂即可完成所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，控制方便等特點(diǎn)。采用IME0.18-μm CMOS工藝線制作了單一組合相移臂控

5、制的3×3型熱光開(kāi)關(guān)速度小于20μs，最大熱功耗為97.5 mw，平均串?dāng)_-11.1 dB，該設(shè)計(jì)方案可以擴(kuò)展到更多的端口也不需要增加額外的相移臂。
　　 4.設(shè)計(jì)分析和研制了一種多功能光子集成器件--四端口高速馬赫曾德型電光路由器，它由4個(gè)級(jí)聯(lián)1×3電光開(kāi)關(guān)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)端口中任意2個(gè)端口的同時(shí)鏈接，同時(shí)兼具廣播功能，任何一個(gè)端口的信號(hào)都可以被均勻的廣播到其他三個(gè)端口。采用0.18-μmCMOS工藝線制作了此器件，在鏈接模