新型絕熱微環諧腔型低功耗硅基調制器的設計

楊 真

(華東交通大學現代教育技術中心，南昌330013)

引 言

近年來，利用硅的自由載流子等離子色散效應，通過P-N結控制折射率的方式逐步發展，新的P-N結結構也不斷被提出，彌補了硅材料弱電光效應的缺點，甚至實現了高達44Gbit/s的傳輸速率［1］。現在，硅既是超大規模集成電路(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。光網絡單元(optical network unit，ONU)光模塊在每個用戶終端都需配備一個，其包含了光發射機和接收機，因此通過研究占光發射機能耗很大部分、更低功耗的新型調制器，對于我國普及光纖入戶和節能減排都有著重要的意義［2］。諧振腔型方面，傳統只有微盤諧振腔和微環諧振腔兩種。微盤諧振腔內部傳播回音壁模式，因此彎曲損耗比微環諧振腔小，但只能工作在多模狀態，因此自由光譜范圍受到損害。并且調制器工作的區域一般要求變化陡峭且單調，多模諧振峰往往會互相重疊，不能滿足要求。而絕熱微環諧振腔的新腔型損耗低于微環諧振腔，又能保持單模運轉，綜合了傳統的兩種諧振腔型的優點。

硅基調制器是在“絕緣體上硅”(silicon-on-insulator，SOI)材料上制作的調制器，具有低成本并與互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工藝兼容的優點［3］。在信息量快速增長的今天，低功耗調制器成為未來通信器件的研究趨勢。對腔形和載流子注入/抽取結構的研究可以進一步改善絕熱微環諧振腔的性能，推動低功耗器件研究的發展。硅基調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，低功耗調制器的地位也越發重要，有著迅速商用化的前景。

1 低功耗理論研究

一般而言，調制器的能耗可以由下式表示:

式中，P 表示能耗，Pc，s為驅動電路靜態的能耗，Pc，d為驅動電路動態的能耗;Pm，b為施加偏置電壓所產生的能耗，反向偏壓的漏電流極小，可忽略不計，正向偏壓的電流產生的能耗則需要考慮;Pm，d是由調制電壓改變時的開關能耗所致;Pm，t為調諧能耗。與調制器的光學和半導體結構相關的能耗為Pm，b和 Pm，d，研究降低功耗主要針對這兩項［4］。能耗與電容的一次方成正比，而與驅動電壓的平方成正比，因此減小能耗的主要方式是降低驅動電壓［5］。從原理上看，調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結區域越小(調制器尺寸小)，能耗也就越低。在保證消光比不降低的情況下降低功耗，就要求諧振峰要細銳［7］，具有高精細度F值，同時諧振峰漂移量對于折射率的變化應更大(耗盡層寬度變化大)。另一方面，過高的F值會造成高光子壽命，從而降低調制器的帶寬［8］。實際設計時諧振腔的精細度F是折衷能耗與頻率響應的結果［9］。

按照上述關系，整體改善調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，即需要以降低調制器能耗為最主要手段，而且可實現的最小尺寸受到彎曲損耗和工藝水平的制約;(2)優化半導體結構，增大耗盡區與光場重疊面積，增大諧振峰漂移量;(3)優化電學特性，降低電阻電容(resistor capacitor，RC)常數。

2 絕熱微環調制器的設計與優化

設計一個微環調制器，需要考慮的組成部分包括:腔型設計、與直波導的傳播常數匹配、P-N結結構、載流子注入/抽取結構以及驅動電壓的確定。腔型設計如下:可以選擇普通微環諧振腔、微盤諧振腔和絕熱微環諧振腔。前兩者腔型均為圓形，設計簡單;絕熱微環諧振腔有更好的性能，但絕熱過渡曲線的設計相對復雜。與直波導的傳播常數匹配:從最簡單的縱向正規光波導的橫向耦合模理論出發，容易得到有傳播常數失配的兩波導耦合系數［10］，可用下式來表示:

式中，P0和P1分別為輸入波導、耦合波導的光功率，κ為互耦合系數，α為損耗系數，Δβ為傳播常數失配，g為與耦合狀態有關的常數。從以上兩式可以看出，在傳播常數失配的情況下，光功率不能全部耦合到輸出波導中，并且會降低耦合系數。在大尺寸諧振腔設計中，相位匹配并不重要，因為大尺寸腔的損耗很小，因此要求的互耦合系數也很小，即使相位不匹配也很容易滿足。而在小尺寸器件設計中，應當減小傳播常數失配，并使自耦合系數與腔的損耗系數匹配(臨界耦合狀態)，以實現最佳工作狀態。

2012年12 月，麻省理工學院的WATTS提出了一種新腔型——絕熱微環諧振腔，在此基礎上進行了改進，設計了如圖1a所示的結構。在直波導與環的耦合區，傳播模式為脊型波導橫電(transverse electric，TE)波基模，然后經過過渡區，模式漸變為回音壁TE基模，在環的上部為回音壁模式區，是一個半徑較小的圓弧［11］。光在環中諧振的每一個周期都要經歷脊型波導TE基模→回音壁TE基模→脊型波導TE基模的轉化。由于有回音壁模式區域的存在，腔損耗(尤其是彎曲損耗)降低。如圖1b所示，可以看到該結構中的模場分布，在耦合區為橢圓形光斑(脊型波導TE基模)，在回音壁模式區為瓜子型光斑(回音壁TE基模)。更低的腔損耗允許更小尺寸的調制器，對降低調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

該結構的另一個優點是可應用性能更好的垂直P-N結構，并將摻雜區域全部放在環內，環外不摻雜，有效降低了模式泄漏導致的損耗。傳統的側向P-N結構在二氧化硅層上方通過一層輕摻雜的平板硅波導與環區相連。這種結構在小彎曲半徑下(例如半徑2μm)會導致可觀的彎曲損耗，降低功耗的最重要的方式就是縮小環尺寸，因此傳統側向P-N結構難以適應低功耗調制器的要求［12］。而圖1b所示的垂直P-N結構，環外不摻雜，且環直接制作在二氧化硅層上，不制作平板波導，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邊界的束縛條件，可以直接從環內用摻雜硅與環波導相連而幾乎不對導模產生擾動;相比之下，微環諧振腔的導模需要內外邊界提供束縛，如果采用這種連接結構會使光場大量泄漏。

3 絕熱微環腔損耗和垂直P-N結低功耗特性

按以上提出的新腔型和新載流子注入結構，給出具體的調制器設計過程，并計算其性能參量。P-N結的摻雜工藝通常是離子注入，注入濃度在結區內近似按高斯分布，且數值也并不十分準確。工藝上的精度無法滿足過于精確的設計參量，因此本文中采用較優的一組通用P-N結參量:重摻雜P+，N+濃度為1×1020cm-3;輕摻雜P，N濃度為1×1018cm-3。結區中線位置為135nm，波導高度為240nm。結區中線向一側偏移，是為了讓對折射率調制更明顯的P區與光場有更大的重疊面積。反偏電壓0.9V時，耗盡區寬度約為69.9nm，反偏結電容約9.6fF;正偏電壓0.9V時，耗盡區對光場的影響可忽略不計。采用外半徑為2μm的絕熱微環諧振腔，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

模擬仿真實驗正偏壓、反偏壓時的模型設置為:分層結構中P層、N層、I層、P+區、N+區，以及電極如圖2所示，并分別設置好它們的復介電常數。兩圖的區別在于耗盡層的寬度不同，對光場分布有不同的影響。耦合距離和直波導寬度按正偏壓的臨界耦合優化。由于研究關注的重點是低功耗，調制速率并不是優化的重點，因此載流子注入結構只設計了90°。分別模擬設置正偏壓(0碼)、反偏壓(1碼)的傳輸特性，經過仿真測試，可以得到如圖3所示的軟件仿真結果示意圖。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1.51μm處的消光比為13.5dB，插入損耗為2dB。模擬其電學特性，可以得到如表1所示的結果。

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的值，反偏壓電阻為載流子注入/抽取結構的電阻(不包括耗盡層)。按這一電阻估算，漏電流本應小到忽略不計的量級，但實際器件中，由于正偏壓0.9V已經接近內建勢0.96V，所以由于工藝水平的限制，漏電流還是會接近微安量級。RC常數取反偏狀態下的結果計算。

按10Gbit/s的調制速率理論計算其能耗，可以表示為:

式中，第1行等號右邊第1項為耗盡P-N結需要的開關能量，第2項為漏電流的熱損耗，其中C為電容，V為電阻，I為電流，t為時間。可以看出，漏電流與開關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

仿真實驗及理論計算表明，該調制器實現了大消光比下的較低功耗。設計時根據實際需要，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，該調制器的諧振腔實現了高F值與低品質因數Q的特性，因此光子壽命幾乎不會對帶寬造成影響，是小尺寸調制器的一大優勢。另外，這一實例只設計了90°的載流子注入/抽取結構，增大其角度可以進一步提高帶寬。

4 結論

新型絕熱微環諧振腔和傳統微環諧振腔，前者不但諧振譜線寬更小，利于實現低功耗調制，而且還可使用能耗減小一個數量級的垂直P-N結構，可以說是完全超過了傳統微環的新腔型。研究了該腔型的線型設計，進一步降低了其腔損耗，并給出了具體的設計方法。該方法也是優化絕熱微環諧振腔的系統方法。具體仿真設計了一個絕熱微環調制器，并理論計算了其重要參量，實現了高消光比下極低的能耗。

［1］ ZHU M X.MOS capacitive silicon electro-optic modulator high k gate dielectric layer research and design［D］.Wuhan:Huazhong University of Science Technology，2009:8-10(in Chinese).

［2］ REED G T，MASHANOVICH G，GARDE F Y，et al.Silicon optical modulators［J］.Nature Photonics，2010，4(8):518-526.

［3］ DONG P，CHEN L，XIE Ch J，et al.50Gb/s silicon quadrature phase-shift keying modulator［J］.Optics Express，2012，20(19):21181-21186.

［4］ WATTS M R，ZORTMAN W A，TROTTER D C，et al.Vertical junction silicon microdisk modulators and switches［J］.Optics Express，2011，19(22):21989-22003.

［5］ ZHAO Y，MA K Zh，YANG D Ch，et al.Research of vernier effect of ring resonator in sensor fields［J］.Laser Technology，2014，38(3):293-296(in Chinese).

［6］ CHEN K，ZHU D X，ZHANG P C.Mode analysis of laser resonator based on finite element matrix ［J］.Laser Technology，2014，38(3):352-356(in Chinese).

［7］ DONG P，CHEN L，CHEN Y K，et al.High-speed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators［J］.Optics Express，2012，20(6):6163-6169.

［8］ YI H X，LONG Q F，TAN W，et al.Demonstration of low power penalty of silicon Mach-Zehnder modulator in long-haul transmission［J］.Optics Express，2012，20(25):27562-27568.

［9］ XIAO X，LI X Y，XU H，et al．44Gb/s silicon micro-ring modulators based on zigzag PN junctions［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2012，24(19):1712-1714.

［10］ DING J F，CHEN H T，YANG L，et al.Ultra-low-power carrier-depletion Mach-Zehnder silicon optical modulator［J］.Optics Express，2012，20(7):7081-7087.

［11］ BIBERMAN A，TIMURDOAGN E，ZORTMAN W A，et al.Adiabatic microring modulators［J］.Optics Express，2012，20(28):29223-29236.

［12］ ROSENBERG J C，GREEN W M J，ASSEFA S，et al.A 25Gbps silicon micro-ring modulator based on an interleaved junction［J］.Optics Express，2012，20(24):26411-26423.