載流子色散型硅基光波導(dǎo)器件研究.pdf

1、光通信技術(shù)的高速發(fā)展對光電子器件的要求越來越高，半導(dǎo)體光電子集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的光電子器件的有效途徑。目前光電子器件所采用的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族材料及寬帶隙Ⅲ-Ⅴ族氮化物如AlN、GaN和InN等。這些材料與廣泛使用的硅技術(shù)無法兼容且制作成本很高，因而限制了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。硅基光子學(xué)(Silicon photonics)將硅技術(shù)及光電子集成技術(shù)相結(jié)合，使硅技術(shù)的應(yīng)用從微電子領(lǐng)域擴(kuò)展到光電子領(lǐng)域。這是值得深入研究的課題。
　

2、　 硅材料雖然由于其結(jié)構(gòu)上的對稱性，不具備一階電光效應(yīng)(Pockles效應(yīng))，但是可以通過載流子色散效應(yīng)對其進(jìn)行電光調(diào)制，且可以獲得良好的調(diào)制效果。SOI材料的大折射率差的特性可以大大縮小器件的尺寸。而微電子制作工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，最小線寬可以做到只有三四十納米，能夠很好的應(yīng)用于硅基光子器件的制作。本論文對載流子色散效應(yīng)型硅基光波導(dǎo)器件進(jìn)行理論及實(shí)驗(yàn)上的研究，目的是探索利用CMOS工藝制作載流子色散型硅基光波導(dǎo)器件的可行性。本論文的

3、主要創(chuàng)新和貢獻(xiàn)在于：
　　 (1)結(jié)合SOI材料結(jié)構(gòu)、pin電學(xué)結(jié)構(gòu)和商業(yè)的CMOS工藝線的要求，設(shè)計(jì)了研制硅基光波導(dǎo)器件的可行工藝流程，并成功制作了基于載流子色散效應(yīng)的硅基光波導(dǎo)器件。在國內(nèi)，我們最先嘗試采用商業(yè)的CMOS工藝線方式來制作載流子色散型硅基光波導(dǎo)器件。
　　 (2)在理論和實(shí)驗(yàn)上分析了基于載流子色散效應(yīng)的馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder-interferometer，MZI)型硅基光波導(dǎo)器件的

4、特性。詳細(xì)分析了pin結(jié)的重?fù)诫s區(qū)位置對器件的吸收損耗、散熱、消光比、速度等的影響。為消除自由載流子吸收對器件的影響，分析了一種動態(tài)調(diào)整分束比以提高器件消光比的方法，理論上可以將消光比提高到45 dB以上。
　　 (3)對硅光波導(dǎo)中1550 nm波段的光電流效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用pin硅波導(dǎo)中存在較寬的雪崩加速區(qū)域，觀測到明顯的雪崩放大電流，實(shí)驗(yàn)得到了接近于5的倍增因子。根據(jù)反偏pn結(jié)硅波導(dǎo)的光場與耗盡區(qū)的交迭特性和強(qiáng)電場作用