摘 要

本文是在学习硅基马赫-曾德尔电光调制器结构的基础上，使用HFSS仿真软件设计行波电极。根据对比了解各种不同材料的电光调制器的优缺点，研究马赫-曾德尔电光调制器的结构特点，发现电极的设计对调制器的性能有很大的影响。硅基材料由于价格便宜，技术较成熟，选用硅基材料为基底来设计和仿真电极。由于在波导过程中，波导材料的折射率随电极电场的变化而变化，相位差会由行波电极调制下施加的电压引起，产生传播电磁波的相移。而行波电极是一种传输线结构，因此了解不同传输线结构的行波电极，分析结构对调制的影响，发现共面波导电极结构可以获得更低的驱动功率。应用HFSS电磁仿真软件对cpw结构进行了设计和仿真。通过对模型数据的调整，分析了行波电极的高频特性和功率匹配，进一步对行波电极优化设计。

关键词：马赫-曾德尔调制器；行波电极；优化设计；硅基光电子

Abstract

In this paper, based on the structure of the silicon-based Mach-Zehnder electro-optic modulator, the traveling wave electrode is designed using HFSS simulation software. Based on the comparison of the advantages and disadvantages of electro-optic modulators of various materials, the structural characteristics of the Mach-Zehnder electro-optic modulator are studied. It is found that the design of the electrode has a great influence on the performance of the modulator. Due to the low price and mature technology of silicon-based materials, silicon-based materials are used as substrates to design and simulate electrodes. Since the refractive index of the waveguide material changes with the electric field of the electrode during the waveguide process, the phase difference is caused by the voltage applied under the modulation of the traveling wave electrode, and a phase shift of the propagating electromagnetic wave is generated. The traveling wave electrode is a transmission line structure. Therefore, the traveling wave electrodes of different transmission line structures are known, and the influence of the structure on the modulation is analyzed. It is found that the coplanar waveguide electrode structure can obtain a lower driving power. The cpw structure was designed and simulated by HFSS electromagnetic simulation software. Through the adjustment of the model data, the high frequency characteristics and power matching of the traveling wave electrode are analyzed, and the traveling wave electrode is optimized.

Key Words: mach-zehnder modulator; Traveling wave electrode; optimal design

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电光调制器的分类研究 2

1.2.1 电光调制器 2

1.2.2 各种半导体材料的电光调制器 2

1.2.3 铌酸锂调制器 3

1.2.4 Ⅲ-Ⅴ材料光调制器 3

1.3 硅基电光调制的研究背景和现状 3

1.3.1 硅基电光调制器发展历程 3

1.3.2 硅基材料优势 4

1.3.3 硅基电光调制器研究方向 5

1.4 本文的研究内容和结构 5

第2章 硅基电光调制器原理 7

2.1 硅基调制器调制机理 7

2.2 马赫曾德尔调制器结构 8

2.3 调制器性能参数和电学部分 10

2.4设计分析和构想 12

第3章 行波电极设计与仿真 13

3.1 HFSS软件介绍 13

3.2 电极模型设计 13

3.2.1 传输线理论 14

3.2.2 传输线理论的计算 14

3.2.3 行波电极模型仿真 17

3.3模型分析 19

3.3.1 S参量分析 19

3.3.2 电极分析与优化 20

3.4 优化设计及设想 21

结论 23

参考文献 24

致谢 25

绪论

1.1 引言

如今，科学和现代科学技术正在迅速发展，半导体器件广泛应用在我们的日常生活中，其性能不断的提高，功耗越来越低，新的材料和新的器件结构投入生产，不断应用到集成芯片的制备中。但对于超大规模集成电路系统，仅器件的性能提高远不能满足发展的需要，信号在传输过程中存在着大量的损耗。当cmos器件尺寸低于10nm时，尽管器件性能满足超大规模集成电路的需要，芯片与芯片的金属互连，模块与模块间的金属互连也极大地影响了系统电路的性能。因此，传统的金属连接会在信号的快速传输中引起许多不可避免的寄生效应。而光作为一种信息传输的载体，根据本身的特性在信息传输中有着天然的优势，光波传输信息的传播速度快，由光的特性可知，定向传输和抗干扰能力也为信息传输过程中的安全性提供了保障。为了实现高效，大容量的信息传输，快速，高效，集成的互连通信，取代传统金属互连技术解决技术瓶颈的重要方案之一就是采用光通信技术进行远距离的通信，采用延迟低，损耗小的光互连技术[2]。

由于光波可以携带信息，现在的通信都是基于光来传输的，光纤也成为了一种常见的快速通信的渠道和媒质，科技快速发展的今下，稳定的通信光源的出现使得可以以低损耗长距离传输光。如今，光纤制备技术拥有者成熟并且成本极低的优势，光纤完成了大部分的信息传输，但其中光电间的转，如何使用光来传递电信号所携带的信息，成为了光通信技术上的一个难题。已知的可以将微波信号调制到光波信号上有两种方式，其一直接调制，由于输入电压电流和输出光功率线性相关，输入的电信号发生变化，光功率输出的时候也会发生改变。直接调制的使用会产生具有较窄带宽的啁啾现象，增加了功耗。采用间接调制。多年以来，由于硅集成器件发展和技术的成熟，硅材料置备起来非常简单，价格非常便宜，因此硅电光调制器得到极大发展。

本文围绕硅基材料的Mach-Zehnder调制器展开。 通过学习硅基MZI原理结构，发现现今多是根据等离子体色散效应来进行设计的，而由效应可知，电场是产生的原因，因此设计分析行波电极的结构组成及相关理论力成为研究的中心和重点，通过学习和使用HFSS电磁仿真设计软件，致力于建立和改良电极成为我们的目标。经过系统性的设计和模拟。比较了CPW共面波导和CPS平面微带线波导的光部分和电部分的原理。可以分析出两种电极结构的优点和缺点。最后针对CPW共面波导分析不同参数尺寸下的电极参数，得到较优的结构数据，最后根据波导产生的损耗来源进行分析，并提出进一步优化的设计方案。

1.2 电光调制器的分类研究

1.2.1 电光调制器

光是电磁波，因此，光具有频率，幅度，相位和极化等参数。当光在调制器中受到调制，其参数按照者调制的信号而等同变化时，就可以将调制信号的信息传送出去。光调制器也是由这个原理来制造和发明的，用在处理光信号方面，并且在光的通信领域中成为了重要的部件。

电光效应说的是晶体各向同性的特质在电场作用影响下表现出了各向异性的特点，与此同时折射率也发生了一定改变的现象。电光调制器是基于电光效应。根据结构形式划分，主要分为体和波导两种^[3]。体调制器的缺点是它具有比波导调制器更大的空间，更高的功耗和调制时需要更大的电压。另外，波导调制器可以用作连接装置，以促进波导与光纤的光学耦合，并与同一基板上的其他装置集成，以形成集成光学元件。因此，在光的信息通信中大量的应用波导得结构形式。

图1-1 波导调制器类型

根据结构的区别，波导调制器包括如下：图 1-1（a）所示，波导上只有一个调制部分，是电吸收调制器，这个结构是最简单的波导调制器结构，它是利用 Franz-Keldysh 效应来影响吸收系数，从而影响输出光强度的变化。图1-1（b）现实的结构有两个Y行分支，马赫 - 曾德尔结构（MZM），通过分支可以将输入光信号均匀分开，运送到如图的MZM的波导上。当电压被施加到电极上，会产生发生的波导折射率的变化，同时生成的两束光束，使得的相位之间的相位差，当两个光束在输出重新组合，输出光的强度由于相互干涉而改变。

1.2.2 各种半导体材料的电光调制器

早期用于制造电光调制器的材料有III-IV半导体，例如砷化镓（Ga As）和铌酸锂（Li Nb O 3）。是各向异性的光学材料，其线性电光系数（也称为气泡系数）大，用于制造高速电光调制器。 然而，制造出的调制器尺寸较大，生产的工艺复杂，因此不利于大规模的光电集成。 GaAs材料的电光系数也较高，是制造微波频带中的有源电子器件的理想选择^[4]。然而，它的光学损耗比较大，而且加工技术和材料硅不一样，因此集成的密度一般。

1.2.3 铌酸锂调制器

铌酸锂（LiNbO3晶体）的结晶是重要的光电子材料，并且是最广泛使用的和最重要的基底材料中的集成光学，在非线性光学有广泛的研究，并且大量应用在光电器件的制造领域。锂酸电光调制器的工作原理被简单地描述为晶体的折射率会因为施加电场的原因发生改变，当这个电场的方向处于一个特定的方向的时候，附加在晶体中光波上的信息的相位发生了改变，这样在输出的透射光的光波相位也会发生改变，从而实现了光波的调制。铌酸锂是一种典型的铁电材料，而使用这种材料制造的光调制器已经商业化大规模生产制造出来，它的电光系数高，快速响应得优点也得以体现，而且有着非常宽范围的光透射（从可见光到红外的），非常稳定。它也非常突出，具有大带宽和良好的可靠性。然而，其缺点包括制造成本高，器件尺寸大，调制电压高，电极结构复杂等。难以与激光器和探测器集成，产生非常大的损耗，不能够满足设计小型光电集成系统的要求。

1.2.4 Ⅲ-Ⅴ材料光调制器

根据电光效应的原理可以用来制造基于III-V材料的光调制器。 2013年，Tera Xion Canada开发出400Gbps磷化铟调制器^[5]。 除此之外，一些有源的器件，他们相同部件上也可以使用III-V族的材料例如激光器，光放大器和光电探测器等。 然而，这些材料也是非常不利的：首先，光传输损耗非常大，从制造低损耗光波导的观点来看，这是不能令人满意的。 其次，这种材料的成本非常高，难以制造，不符合应用要求，而且可靠性差与广泛使用的硅技术不兼容。

1.3 硅基电光调制的研究背景和现状

1.3.1 硅基电光调制器发展历程

硅材料的优点有很多，它的成本低，储量丰富并且制造工艺十分成熟。 因此，对硅光子技术进行了深入研究。硅材料本身的弱点通过连续引入新的制造方法不断地被克服，硅基光电子技术因此逐渐走向成熟。但由于硅材料不具有显着的线性电光效应和受激辐射效应，并且克尔效应较弱，因此传统观点认为硅材料不适合作为制造电光调制器的基板材料。然而，随着科研人员对硅材料的等离子体色散效应的发现，使用硅材料可以实现电光调制，硅成为制造调制器的重要完整材料之一。另外，作为制造CMOS集成电路芯片的成熟材料，硅材料在集成器件的制造中具有丰富而深刻的技术积累。因此，集成应用的一个重要发展方向是使用CMOS技术生产小尺寸，低功耗，高速的全硅电光调制器。在硅基光电子领域的硅基材料正在快速的进步，迅速的发展。自2004年以来，英特尔研究人员已经以1 Gb / s的速度生产了基于硅的电光相位调制器。 2007年7月，英特尔制造了一款具有40Gb / s反向PN结MZM结构的调制器。 2008年5月，英特尔公司通过采用8通道的硅调制器，实现了200 Gb / s的调制速率的目标。2013年，美国贝尔实验室使用分离多路复用正交幅度调制格式生产了224 Gb / s硅基电光调制器。与此同时，国内也没有放弃对光电调制器的研究。 2012年5月，半导体研究所利用国内半导体公司的CMOS制造工艺开发了Mach-Zehnder干涉仪型全硅波导电光调制，并采用了开创性和世界公认的内插反向PN结结构。该器件和微环谐振器型全硅波导电光调制器的调制率为44 Gb / s。2013年之后，许多国家和国际组织设计并制备了调制速率大于50 Gb / s的硅基电光调制器。与此同时，国家和国际研究机构也在低能量调制器的开发方面取得了成功的成果。2014年，中国科学院半导体研究所通过优化PN结掺杂，改善了调制器阻抗匹配和共面电极对称性。近年来，光纤通信和光子集成对光电器件的工作速率，更低的价格，更低的损耗，更快的调制速率和更大的带宽提出了很高的要求。从2000年到现在硅调制器研究有几个趋势在进行发展：高速和高阶与高设备的集成。高可靠性和稳定性已成为硅基电光调制器的重要开发领域。已经发现，通过使用缩短载流子寿命并加速载波速度的预加重驱动电路，可以加载正向电场到二极管上，加快调制器的调制速率。理论上，在驱动电极的阻抗很小甚至趋近于0的前提下，即理想的条件下，高的调制速率是可以达到和实现的。实际上，驱动电极的影响不可以被忽略。资料显示，削弱RC常数提高调制速率的方法，就是对调制器的电极进行设计，有两种电极设计思路其一是电极分段，另外就是行波电极。本文采取第二种设计思路^[7]。

1.3.2 硅基材料优势

21世纪以来，人们正积极加入研究硅基光子学。根据研究等离子体色散效应发现了，硅材料的广电系数弱的缺点可以被忽略，因此，硅基有源器件再一次出现在调制中被应用。在红外光波段的通信频带中，硅材料的损耗非常低，而使用硅基制成的波导的折射率差却很高，这样使得这使得光束结合能力更强，从而改变器件的尺寸并促进集成。硅作为半导体可以用于器件制造，是的良好的光学器件制造所需材料，也是是COMS集成电路的重要的制造材料。结合先进成熟的硅基工艺和微电子学中互补金属氧化物半导体工艺，可以在与光子相同的基板上制备硅基器件，结合高带宽的优点，还有超快速的传输和强抗干扰能力的特性。高度集成，低成本，高性能的光电集成芯片制造。硅基材料的这些优势正一步步的慢慢推动着硅基调制器走向产品化。例如，以CMOS工艺制造的Luxtera硅基集成光电收发器模块的芯片模具可以实现40Gb / s的传输速率。

1.3.3 硅基电光调制器研究方向

硅基电光调制器是电光混合集成系统中的一种装置，其将电信号转换为光信号并通过引入由电信号产生的物理效应来影响光的传播特性，并且是其中之一。 光电混合集成的核心组件。 芯片中的信号载体需要通过调制器将信息从电转换为光。 因此，调制器的优劣对于整个信息传输系统，都会造成影响。 基于硅的Mach-Zehnder调制器是高速发光器的核心器件，其研究主要集中在三个方面：(1) 足够宽的调制带宽; (2) 调制器消耗功率小; (3) 工作稳定性好。本文在学习硅基马赫电光调制器结构的基础上，了解行波电极的设计原理，研究行波电极对调制器性能的影响，并在提高带宽减小功耗的基础上运用HFSS仿真软件仿真和测试，最后优化模型实现阻抗匹配和降低功耗。

1.4 本文的研究内容和结构

本文通过学习电光调制器马赫曾德尔结构的组织构成，分析得到电极元件对于调制器性能的影响，进而分析其电极的结构组成的机理，电极的不同结构使用的环境并不一样，当了解了电极是如何在作用于调制器的性能之后，选择合适的进行计算，学习并在软件搭建的环境中绘制模型和搭建，变量的设置可以用来寻找规律，仿真不同传输线结构的行波电极，分析改变参数尺寸下电极参数，得到较优结构的数据，分析带宽，功率匹配等特性，总结规律，最后根据波导产生的损耗来源进行分析，提出进一步优化的设计方案和未来的可能性应用。

本文的结构安排如下：

本文第一章主要介绍了光电调制器的研究历史，分析了其目前的发展，并根据电光调制器的特点，明白它的作用原理，而使用硅的原理和其他的化合物材料并不相同，就此来研究和发现如何正确使用材料来制作和应用在调制器件中，最后研究资料和参考文献得出了硅基电光调制器的优点，知道了本文接下来的的研究的方向。

本文第二章从第一节浅析光电效应等的原理到深入分析了电光调制器的马赫曾德尔结构，从光信号的输入到调制部分然后输出的过程中了解了其工作的原理机理，进一步提出了设计中需要考虑的电气参数和性能指标，并对其进行了理解。 为了设计更优质的电光调制器，更好的性能架构，需要在这个理论指导基础上仔细计算和然后进行精心的设计。

本文第三章学习行波电极设计的两个理论，学习传输线理论分析方法计算模型尺寸数据，分析不同的行波电极传输线模型，然后根据共面波导的结构来进行设计和仿真行波电极的初步模型，通过散射参量S定性分析，观察和对比不同电极尺寸和电极间距作用于它的参数造成的改变，最后总结规律，提出进一步优化的可能。

本文第四章总结全文，期望未来的发展。

硅基电光调制器原理

查阅资料发现，最近几年来，硅基光子学发展的十分迅速，使用硅材料制造光电器件是重要的研究方向之一。通过重点研究等离子色散效应，硅材料不再由于光电系数小而摒弃，并且在硅基调制中得到了大量应用，以硅这种半导体设计的有源器件进入了发展的新时代。在红外线纳米波长的通信波段，硅材料的损耗较低，而且硅基波导的折射率差比较高，根据它的光束缚能力较强的特点可以用来制成集成器件。硅基材料得到了快速的发展，因此硅基调制器走向产品化趋势不可阻挡。通过学习调制的机理，了解影响调制效果的因素，根据调制器的性能指标参数，联系电极对其的影响，得到电极设计需要重点分析的数据。

2.1 硅基调制器调制机理

硅基调制的原理主要是三个效应，联系题目，本节主要分析以下效应。

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