摘 要

硅光子器件是起到光电转换作用的器件，其作为光互连技术的基本单元，是光通信技术的重要研究对象。本论文主要分析了硅光子器件的主要现状、主要技术和待解决的一些问题。首先明确激光器、调制器、探测器为光子器件实现的重中之重，对这些硅光子的实现进行分析，介绍了其工作原理。其中，着重分析了硅基激光器的激射原理、谐振腔原理及硅材料作为发光材料的现存的问题，了解硅基激光器不同类型，实现的不同方案，重点关注硅基混合激光器的实现。之后，主要针对硅基激光器展开了研究，对混合硅基激光器的谐振腔进行了分析，并提出了一种混合硅基集成激光器的方法，最后对硅基混合激光器的键合方案展开分析，提出BCB材料作为中间层键合的优势及流程。

关键词：硅光子器件、硅基混合激光器、BCB键合技术

Abstract

As a basic unit of optical interconnection technology, silicon photonic device is an important research object of optical communication technology.This paper mainly analyzes the main current situation, main technology and some problems to be solved of silicon photonic devices.Firstly, it is clear that laser, modulator and detector are the most important parts of photonic devices.Among them, focusing on the analysis of a silicon-based laser maser principle, principle of resonant cavity and existing problems of silicon as a luminescent material, understand the silicon-based laser of different types, different scheme of implementation, focus on the implementation of silicon-based hybrid laser., main study launched a silicon-based laser, the mix of silicon-based laser resonator is analyzed, and puts forward a hybrid silicon integrated laser method, finally, the mixed silicon-based laser bonding scheme of analysis, put forward the BCB materials as an intermediary, the advantages of bonding and process.

Key words: silicon photonic device, silicon based hybrid laser, BCB bonding technology

目录

1绪论 1

1.1硅光子器件研究的目的及意义 1

1.2国内外现状 2

1.3本文的工作内容 3

2 硅光子器件的基本原理 4

2.1硅基激光器 4

2.1.1 存在问题 4

2.1.2 谐振腔激光器原理 6

2.1.3 微环谐振腔性能表征 7

2.1.4 III-V硅基激光器原理 8

2.2 硅基PIN探测器 9

2.2.1 原理分析 9

2.2.2 性能指标 10

2.3 硅基调制器 12

2.3.1 热光效应与等离子效应 13

2.3.2光学结构 14

3 III-V混合硅基激光器关键技术研究 16

3.1 用于硅基激光器的F-P谐振腔分析 16

3.2 用于硅基激光器微环谐振腔分析 18

3.3 混合III-V硅基激光器方案 20

4 BCB键合工艺技术 26

4.1 键合技术的基本原理 26

4.2 BCB键合技术流程 27

5 总结与展望 29

参考文献 30

致谢 31

1绪论

1.1硅光子器件研究的目的及意义

硅光子技术是以硅及硅基衬底为主要材料，采用CMOS工艺即互补金属氧化物半导体工艺进行光子器件开发及集成，凭借此类硅基器件将光信号进行发送、传播、采集和接收，最终将它们应用于光互连及数据中心等重点领域中[1]。

硅光子器件是硅光子技术及片上光互连的基本单元，可分为硅光子有源器件及无源器件，有源器件基本包括激光器、探测器及调制器等主要光学器件；无源器件主要包括光栅、光波导等[2]。若干硅基器件可集成硅基集成芯片，根据功能和需求可划分为光发送芯片、光接收芯片及光收发一体芯片。而由集成芯片组成的硅光子模块是系统级的硅光产品，将硅光器件或芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，根据功能和需求不同可分为不同模块芯片。

在通信领域中，不断增加的数据业务对运算速度快，集成度高的微处理器提出了更高的要求。随着芯片尺寸不断地缩小，电器件间的电阻电感效应已成为通信系统的瓶颈。在高速率传输中，电互连的寄生效应会导致电信号剧烈衰减，功耗大幅上升，因此，传统的电互连已遏制了系统性能，无法满足未来高速率通信的需求[3]。为了取得更高的传输速率，更低的能耗和高带宽，光互连技术已成为提高计算机系性能的关键，如图1.1，为片上光互连系统。

图1.1片上光互连系统

传统光互连及光子集成主要基于三五族材料，其代表化合物为砷化镓和磷化铟。虽然基于三五族的光子技术与较为成熟且取得了商业上的成功，但是此类芯片价格较高且生长工艺复杂，用到的原材料都较为昂贵，同时不能大规模集成，无法降低成本[4]。相较于传统光子器件，硅光子器件最突出的优势是，硅基材料因为来源广泛，所以成本较低，此外，它与现有CMOS技术兼容，可大规模集成降低成本[5]。其次，硅基材料阻抗较小，而驱动电压也低，极大降低功耗。第三，硅光子技术可为光子和电子提供统一的集成平台，为光电集成提供有效途径。因此，充分凭借硅基电子的集成工艺的优势，将光电技术相结合，创造高宽带，高传输率，高抗扰，低损耗的通信已成为未来发展的方向[6]。作为光互连技术的基本器件单元，硅光子器件的开发和优化已成为重要研究方向。

1.2国内外现状

对硅材料用于光器件和通信的研究由20世纪80年代左右开始，Soref研究小组的工作内容主要集中在波导、光开关和调制器[7]。他们发现凭借在硅材料中注入载流子可实现电光调制，凭借注入载流子浓度的大小变化来控制硅折射率。采用硅的等离子色散效应与该性质相结合，可以设计出硅基调制器[8]。近几年来，硅光子技术首到广泛关注，发展速度非常快速。在硅基光电调制器的研究方面，2004年，因特尔公司第一次研制了速率为1GHz高速硅光相位调制器[9]。而2008年，Mao研究小组也提出了基于N-P-N构架和双 MOS 构架的的硅光电调制器，其调制速率分别达到 14GHz 和 15GHz。2009年，Lipson研究小组设计了调制速率达到 50GHz的基于微环波分复用结构的硅基调制器。2011年，美国Liu Ming 小组首次发表了采用石墨烯与硅基相结合的调制器，关于石墨烯这种新型材料开始被研究。而在2012年，Reed研究小组研制了耗尽型硅基MZI调制器，传输速率为50GHz，插入损耗为7.2dB，消光比为3.1dB。在硅基探测器方面，2007年，Lyszczarz T.M小组发表了1550nm通信波段探测的 PIN光电探测器，实现10GHz以上的带宽并拥有60%的量子效率。2012年，Nanver L.K课题组研制了光谱响应范围扩展到100nm的紫外光波段仍然具有60 %以上的量子效率的硅基PIN光电探测器。 2013年马来西亚的 Abdullah S F小组在N阱和P阱之间增加一层高阻本征层设计了探测器，在800nm波长处实现了13.1GHz带宽且拥有接近96 %的量子效率。2014年Osgood R M小组通过优化注入硅离子后的退火条件，将响应波段扩展至2.3μm，在外加5V的反向偏压时，实现11.7GHz以上的带宽的同时，该PIN探测器拥有4%左右的量子效率。在硅基激光器方面，2001年C. Seassal小组第一次发表凭借二氧化硅使InP基微盘激光器与硅衬底相耦合，最终该激光器可以在常温受激持续产生1.6μm波长。2005年，英特尔公司发表了1550nm波长的基于光泵浦受激的硅基拉曼激光器，在2006年，因特尔公司同加州大学共同研究出了电泵浦连续激射硅基III-V族混合激光器。同年，John Bowers研究小组第一次提出了可以在室温下，电注入激射产生激光的键合激光器，凭借倒锥形硅波导结构，光可以从发光介质进入绝缘体上硅（SOI）波导中，实验表明光功率为0.9mW[10]。2012年，Lamponi研究小组运用端面拉锥型的耦合结构使III-V族材料和硅之间的耦合效率高达80%。

而在国内，虽然对于硅基器件的研究起步较晚，中科院半导体研究所和各大高校对硅光子技术已经展开了全面研究。中科院半导体研究所经过多年对硅基材料的探索，已研发出世界上最快且低能耗的硅基调制器。此外，在探测器方面，中科院半导体研究所也实现了在低温下生长锗材料，实现了探测带宽在20GHz以上的锗硅光电探测器。北京大学的秦国刚课题组研究倏逝波耦合型激光器，成果较为显著。其采用金属键合，实现了连续电泵激射，该结构的电光转换效率为0.08W/A。在系统设备商方面，主要是通过并购或合作来布局硅光子技术的研究。华为在近几年收购了几家国外的传统硅光公司，结合这些硅光公司在集成器件的经验和对光子技术实现的熟练掌握，对硅光芯片展开了研发。

1.3本文的工作内容

硅光子器件的实现是光互连技术的基础，作为光通信技术的重要一环，硅基激光器、硅基探测器、硅基调制器等光电转换器件的性能至关重要。本文结合了硅光子器件实现的突破性进展，对硅基混合激光器实现的原理进行了重点关注与分析，分析激光器的两种谐振腔的基本原理和性能参数以及实现方案。

第一章基本介绍了研究硅光子器件的意义和目的，其次，结合国内外的研究进展，综述了硅基激光器、探测器及调制器等重要硅基器件的研究现状。

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