楊 真

(華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，南昌330013)

引 言

近年來，利用硅的自由載流子等離子色散效應(yīng)，通過P-N結(jié)控制折射率的方式逐步發(fā)展，新的P-N結(jié)結(jié)構(gòu)也不斷被提出，彌補(bǔ)了硅材料弱電光效應(yīng)的缺點(diǎn)，甚至實(shí)現(xiàn)了高達(dá)44Gbit/s的傳輸速率［1］。現(xiàn)在，硅既是超大規(guī)模集成電路(very large scale integration，VLSI)成熟的襯底材料，也是目前最有前景的集成光互連平臺(tái)。光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)光模塊在每個(gè)用戶終端都需配備一個(gè)，其包含了光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，因此通過研究占光發(fā)射機(jī)能耗很大部分、更低功耗的新型調(diào)制器，對(duì)于我國(guó)普及光纖入戶和節(jié)能減排都有著重要的意義［2］。諧振腔型方面，傳統(tǒng)只有微盤諧振腔和微環(huán)諧振腔兩種。微盤諧振腔內(nèi)部傳播回音壁模式，因此彎曲損耗比微環(huán)諧振腔小，但只能工作在多模狀態(tài)，因此自由光譜范圍受到損害。并且調(diào)制器工作的區(qū)域一般要求變化陡峭且單調(diào)，多模諧振峰往往會(huì)互相重疊，不能滿足要求。而絕熱微環(huán)諧振腔的新腔型損耗低于微環(huán)諧振腔，又能保持單模運(yùn)轉(zhuǎn)，綜合了傳統(tǒng)的兩種諧振腔型的優(yōu)點(diǎn)。

硅基調(diào)制器是在“絕緣體上硅”(silicon-on-insulator，SOI)材料上制作的調(diào)制器，具有低成本并與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)［3］。在信息量快速增長(zhǎng)的今天，低功耗調(diào)制器成為未來通信器件的研究趨勢(shì)。對(duì)腔形和載流子注入/抽取結(jié)構(gòu)的研究可以進(jìn)一步改善絕熱微環(huán)諧振腔的性能，推動(dòng)低功耗器件研究的發(fā)展。硅基調(diào)制器是光互連和光通信終端的最佳解決方案，成本低，且與CMOS工藝兼容，可以光電混合集成。隨著通信量的不斷增長(zhǎng)，低功耗調(diào)制器的地位也越發(fā)重要，有著迅速商用化的前景。

1 低功耗理論研究

一般而言，調(diào)制器的能耗可以由下式表示:

式中，P 表示能耗，Pc，s為驅(qū)動(dòng)電路靜態(tài)的能耗，Pc，d為驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)態(tài)的能耗;Pm，b為施加偏置電壓所產(chǎn)生的能耗，反向偏壓的漏電流極小，可忽略不計(jì)，正向偏壓的電流產(chǎn)生的能耗則需要考慮;Pm，d是由調(diào)制電壓改變時(shí)的開關(guān)能耗所致;Pm，t為調(diào)諧能耗。與調(diào)制器的光學(xué)和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相關(guān)的能耗為Pm，b和 Pm，d，研究降低功耗主要針對(duì)這兩項(xiàng)［4］。能耗與電容的一次方成正比，而與驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比，因此減小能耗的主要方式是降低驅(qū)動(dòng)電壓［5］。從原理上看，調(diào)制的能耗是使載流子耗盡所需要做的功［6］，因此在諧振線寬不變的情況下，P-N結(jié)區(qū)域越小(調(diào)制器尺寸小)，能耗也就越低。在保證消光比不降低的情況下降低功耗，就要求諧振峰要細(xì)銳［7］，具有高精細(xì)度F值，同時(shí)諧振峰漂移量對(duì)于折射率的變化應(yīng)更大(耗盡層寬度變化大)。另一方面，過高的F值會(huì)造成高光子壽命，從而降低調(diào)制器的帶寬［8］。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)諧振腔的精細(xì)度F是折衷能耗與頻率響應(yīng)的結(jié)果［9］。

按照上述關(guān)系，整體改善調(diào)制器性能的方式主要有3種:(1)在諧振峰寬度不變的情況下降低諧振腔尺寸，這就要求使用新型低損耗諧振腔，因此可以給出一種方案，即需要以降低調(diào)制器能耗為最主要手段，而且可實(shí)現(xiàn)的最小尺寸受到彎曲損耗和工藝水平的制約;(2)優(yōu)化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，增大耗盡區(qū)與光場(chǎng)重疊面積，增大諧振峰漂移量;(3)優(yōu)化電學(xué)特性，降低電阻電容(resistor capacitor，RC)常數(shù)。

2 絕熱微環(huán)調(diào)制器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

設(shè)計(jì)一個(gè)微環(huán)調(diào)制器，需要考慮的組成部分包括:腔型設(shè)計(jì)、與直波導(dǎo)的傳播常數(shù)匹配、P-N結(jié)結(jié)構(gòu)、載流子注入/抽取結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電壓的確定。腔型設(shè)計(jì)如下:可以選擇普通微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔和絕熱微環(huán)諧振腔。前兩者腔型均為圓形，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;絕熱微環(huán)諧振腔有更好的性能，但絕熱過渡曲線的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。與直波導(dǎo)的傳播常數(shù)匹配:從最簡(jiǎn)單的縱向正規(guī)光波導(dǎo)的橫向耦合模理論出發(fā)，容易得到有傳播常數(shù)失配的兩波導(dǎo)耦合系數(shù)［10］，可用下式來表示:

式中，P0和P1分別為輸入波導(dǎo)、耦合波導(dǎo)的光功率，κ為互耦合系數(shù)，α為損耗系數(shù)，Δβ為傳播常數(shù)失配，g為與耦合狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)。從以上兩式可以看出，在傳播常數(shù)失配的情況下，光功率不能全部耦合到輸出波導(dǎo)中，并且會(huì)降低耦合系數(shù)。在大尺寸諧振腔設(shè)計(jì)中，相位匹配并不重要，因?yàn)榇蟪叽缜坏膿p耗很小，因此要求的互耦合系數(shù)也很小，即使相位不匹配也很容易滿足。而在小尺寸器件設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)減小傳播常數(shù)失配，并使自耦合系數(shù)與腔的損耗系數(shù)匹配(臨界耦合狀態(tài))，以實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。

2012年12 月，麻省理工學(xué)院的WATTS提出了一種新腔型——絕熱微環(huán)諧振腔，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如圖1a所示的結(jié)構(gòu)。在直波導(dǎo)與環(huán)的耦合區(qū)，傳播模式為脊型波導(dǎo)橫電(transverse electric，TE)波基模，然后經(jīng)過過渡區(qū)，模式漸變?yōu)榛匾舯赥E基模，在環(huán)的上部為回音壁模式區(qū)，是一個(gè)半徑較小的圓?。?1］。光在環(huán)中諧振的每一個(gè)周期都要經(jīng)歷脊型波導(dǎo)TE基?！匾舯赥E基模→脊型波導(dǎo)TE基模的轉(zhuǎn)化。由于有回音壁模式區(qū)域的存在，腔損耗(尤其是彎曲損耗)降低。如圖1b所示，可以看到該結(jié)構(gòu)中的模場(chǎng)分布，在耦合區(qū)為橢圓形光斑(脊型波導(dǎo)TE基模)，在回音壁模式區(qū)為瓜子型光斑(回音壁TE基模)。更低的腔損耗允許更小尺寸的調(diào)制器，對(duì)降低調(diào)制器的能耗有重要意義。

Fig.1 a—adiabatic micro-ring resonator b—mode distribution of adiabatic micro-ring resonator

該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可應(yīng)用性能更好的垂直P-N結(jié)構(gòu)，并將摻雜區(qū)域全部放在環(huán)內(nèi)，環(huán)外不摻雜，有效降低了模式泄漏導(dǎo)致的損耗。傳統(tǒng)的側(cè)向P-N結(jié)構(gòu)在二氧化硅層上方通過一層輕摻雜的平板硅波導(dǎo)與環(huán)區(qū)相連。這種結(jié)構(gòu)在小彎曲半徑下(例如半徑2μm)會(huì)導(dǎo)致可觀的彎曲損耗，降低功耗的最重要的方式就是縮小環(huán)尺寸，因此傳統(tǒng)側(cè)向P-N結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)低功耗調(diào)制器的要求［12］。而圖1b所示的垂直P-N結(jié)構(gòu)，環(huán)外不摻雜，且環(huán)直接制作在二氧化硅層上，不制作平板波導(dǎo)，因此在小彎曲半徑下仍能保持低損耗。另外，回音壁模式不需要內(nèi)邊界的束縛條件，可以直接從環(huán)內(nèi)用摻雜硅與環(huán)波導(dǎo)相連而幾乎不對(duì)導(dǎo)模產(chǎn)生擾動(dòng);相比之下，微環(huán)諧振腔的導(dǎo)模需要內(nèi)外邊界提供束縛，如果采用這種連接結(jié)構(gòu)會(huì)使光場(chǎng)大量泄漏。

3 絕熱微環(huán)腔損耗和垂直P-N結(jié)低功耗特性

按以上提出的新腔型和新載流子注入結(jié)構(gòu)，給出具體的調(diào)制器設(shè)計(jì)過程，并計(jì)算其性能參量。P-N結(jié)的摻雜工藝通常是離子注入，注入濃度在結(jié)區(qū)內(nèi)近似按高斯分布，且數(shù)值也并不十分準(zhǔn)確。工藝上的精度無法滿足過于精確的設(shè)計(jì)參量，因此本文中采用較優(yōu)的一組通用P-N結(jié)參量:重?fù)诫sP+，N+濃度為1×1020cm-3;輕摻雜P，N濃度為1×1018cm-3。結(jié)區(qū)中線位置為135nm，波導(dǎo)高度為240nm。結(jié)區(qū)中線向一側(cè)偏移，是為了讓對(duì)折射率調(diào)制更明顯的P區(qū)與光場(chǎng)有更大的重疊面積。反偏電壓0.9V時(shí)，耗盡區(qū)寬度約為69.9nm，反偏結(jié)電容約9.6fF;正偏電壓0.9V時(shí)，耗盡區(qū)對(duì)光場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。采用外半徑為2μm的絕熱微環(huán)諧振腔，完整腔型見圖2。

Fig.2 Structure diagram and sections of adiabatic micro-ring modulator

Fig.3 State diagram of amplitude modulator

模擬仿真實(shí)驗(yàn)正偏壓、反偏壓時(shí)的模型設(shè)置為:分層結(jié)構(gòu)中P層、N層、I層、P+區(qū)、N+區(qū)，以及電極如圖2所示，并分別設(shè)置好它們的復(fù)介電常數(shù)。兩圖的區(qū)別在于耗盡層的寬度不同，對(duì)光場(chǎng)分布有不同的影響。耦合距離和直波導(dǎo)寬度按正偏壓的臨界耦合優(yōu)化。由于研究關(guān)注的重點(diǎn)是低功耗，調(diào)制速率并不是優(yōu)化的重點(diǎn)，因此載流子注入結(jié)構(gòu)只設(shè)計(jì)了90°。分別模擬設(shè)置正偏壓(0碼)、反偏壓(1碼)的傳輸特性，經(jīng)過仿真測(cè)試，可以得到如圖3所示的軟件仿真結(jié)果示意圖。曲線1表示邏輯1碼，曲線2表示邏輯0碼。從圖3中可以得到工作波長(zhǎng)1.51μm處的消光比為13.5dB，插入損耗為2dB。模擬其電學(xué)特性，可以得到如表1所示的結(jié)果。

Table 1 Frequency response characteristics of adiabatic micro-ring resonator

其中正偏壓電阻是包括耗盡層電阻在內(nèi)的值，反偏壓電阻為載流子注入/抽取結(jié)構(gòu)的電阻(不包括耗盡層)。按這一電阻估算，漏電流本應(yīng)小到忽略不計(jì)的量級(jí)，但實(shí)際器件中，由于正偏壓0.9V已經(jīng)接近內(nèi)建勢(shì)0.96V，所以由于工藝水平的限制，漏電流還是會(huì)接近微安量級(jí)。RC常數(shù)取反偏狀態(tài)下的結(jié)果計(jì)算。

按10Gbit/s的調(diào)制速率理論計(jì)算其能耗，可以表示為:

式中，第1行等號(hào)右邊第1項(xiàng)為耗盡P-N結(jié)需要的開關(guān)能量，第2項(xiàng)為漏電流的熱損耗，其中C為電容，V為電阻，I為電流，t為時(shí)間。可以看出，漏電流與開關(guān)能耗相比還是微不足道的。最后，將所有參量列于表2中。

Table 2 Parameters calculation/analog value of adiabatic micro-ring resonator

仿真實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算表明，該調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了大消光比下的較低功耗。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際需要，還可以用消光比來換取更低的能耗或更大的帶寬。值得注意的是，該調(diào)制器的諧振腔實(shí)現(xiàn)了高F值與低品質(zhì)因數(shù)Q的特性，因此光子壽命幾乎不會(huì)對(duì)帶寬造成影響，是小尺寸調(diào)制器的一大優(yōu)勢(shì)。另外，這一實(shí)例只設(shè)計(jì)了90°的載流子注入/抽取結(jié)構(gòu)，增大其角度可以進(jìn)一步提高帶寬。

4 結(jié)論

新型絕熱微環(huán)諧振腔和傳統(tǒng)微環(huán)諧振腔，前者不但諧振譜線寬更小，利于實(shí)現(xiàn)低功耗調(diào)制，而且還可使用能耗減小一個(gè)數(shù)量級(jí)的垂直P-N結(jié)構(gòu)，可以說是完全超過了傳統(tǒng)微環(huán)的新腔型。研究了該腔型的線型設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了其腔損耗，并給出了具體的設(shè)計(jì)方法。該方法也是優(yōu)化絕熱微環(huán)諧振腔的系統(tǒng)方法。具體仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)絕熱微環(huán)調(diào)制器，并理論計(jì)算了其重要參量，實(shí)現(xiàn)了高消光比下極低的能耗。

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