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硅基MZI光调制芯片的设计与封装

侯建宏

  随着硅光子集成技术的不断发展,基于硅隔离体(SOI)的光调制器芯片技术开始受到关注。本文开展硅基马赫-曾德尔调制器(MZM)芯片的设计、封装、测试等方面的研究工作,具体涉及基于载流子色散效应的电光MZM和基于磁光非互易性原理的磁光MZM两种光调制器芯片。主要工作内容和创新如下:1.针对脊型SOI波导,采用Lumerical仿真软件建立了PIN和PIP的电极模型,分别仿真了施加电压对载流子浓度和热场分布的影响,分析了其有效折射率的变化规律。通过优化设计多模干涉(MMI)耦合器、SOI光波导横截面尺寸和长度,以及影响热串扰的MZI两臂之间距离,最终设计并外协加工出一款电光MZM硅基芯片,具体参数如下:脊型波导的横截面尺寸为0.5μm×0.22μm,掺杂区的厚度为60nm,调制臂长度为1mm。2.完成了电光MZM芯片的电学封装和光学封装,以及温度模块的开发。根据所设计MZM芯片的电极分布,设计制作了芯片的PCB载板,并采用金线进行了电学封装和电阻测试;之后,采用光纤阵列与芯片的输入、输出光栅进行了垂直耦合光学封装,并用紫外(UV)胶进行固定。测试结果表明,在1550nm光波长,光纤阵列的输入端口到输出端口的插入损耗约为15dB,与光学封装前接近。通过芯片载板上安装热敏电阻的方式,对整个芯片的温度进行监控,在温控电路配合下可实现0.03℃的温度控制精度。3.搭建了电光MZM芯片模块的实验测试平台,利用任意波形发生器(AWG)产生的OOK信号对芯片PIN电极施加电压,完成了光调制功能测试。当PIP电极电压设置在4.1V、信号直流偏置为0.7V时,实验测得的3dB调制带宽为340MHz,其最大消光比为21.1dB。研究表明,MMI的加工精度和载流子浓度的变化速度是影响调制器带宽的主要因素。4.利用硅基磁光波导中传播常数的非互易特性,设计出一种磁光MZM芯片,给出了具体的设计步骤。将Comsol和Matlab仿真软件相结合,分别从微带线的阻抗特性、磁光材料的微波特性,以及磁光非互易性三个方面,对磁光MZM特性进行了仿真。通过在微带线上施加不同频率的正弦波方式,评估了磁光MZM芯片的频率响应。当偏置磁场H_a为900Oe时,磁光调制带宽可达10GHz,增大偏置磁场还可以使磁光调制带宽进一步增加。……   
[关键词]:马赫-曾德尔调制器;光子集成器件;载流子色散;热光效应;磁光效应
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:电子科技大学2018年