基于微环谐振腔的波长选择性器件在片上光互连及光计算中的应用

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1、国博士学位论文罾级：坌珏垂王缝丕谐握膣殴渡长选搔筐鉴壁E在压上光亘蓬厘迸盐篡生的廑眉作者姓名：冀壹强指导教师：扬挞班究虽生国垂瞠睦坐昱佳班宜匮学位类别：王§!堕±学科专业：篮虫王堂皇固佳虫王堂研冤所：生量鍪瞠院坐昱佳班究所2013年5月学一大救院一学一科圳国姗hr帆ByRuiqiangJiADissertation／ThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementFor

2、thedegreeofDoctorofPhilosophyinMicroelectronics&SolidElectronicsInstituteofSemiconductors，CASMay，2013独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学研究院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确

3、的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中科院半导体所有关保留、使用学位论文的规定，即：所内有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；所内可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵循此规定)签名：导师签名：日期：摘要集成光子学的发展使得光互连及光信息处理技术向着ICT领域更深层次的应用渗透。基于SOI平台的硅基集成光学为实现片上光互连网络和片上光信息处理提供了一种可行的技术方案。硅基光子学的优势包括：硅波导具有大折射率

4、差，波导尺寸可以缩小到亚微米量级，因此基于硅基微纳波导的光器件具有更紧凑的器件结构，能实现更高密度的器件集成；基于硅基微纳波导的光器件完全采用成熟的CMOS工艺加工，可以批量生产，降低成本的同时也可以保证器件性能；基于硅基微纳波导的光器件与微电子电路可以进行单片集成，从而可以构建更复杂的系统，以完成更复杂的功能。本论文的主要工作是对基于硅基微纳波导微环谐振腔的片上光学路由节点和光学向量．矩阵乘法器进行理论分析、器件设计以及实验验证。微环谐振腔是一种用途非常广泛的光学结构，国内外的科研人员目前已经开发了基

5、于微环谐振腔的多种功能器件，包括：多波长光源、调制器、上下载滤波器、光开关、光延时器、光隔离器／环形器等。在本论文中，硅基微纳波导微环谐振腔，在光学路由器中作为波长选择性光开关使用，而在光学向量．矩阵乘法器中则作为可级联的波长选择性调制器使用。硅基微纳波导微环谐振腔的研究：利用散射矩阵方法对各种微环谐振腔结构进行系统性理论分析，包括单波导耦合的微环谐振腔、上下载滤波器、串联耦合双环谐振腔以及并联耦合双环谐振腔；利用248nm深紫外光刻技术在SOI晶圆上制作了基于硅基微纳波导的微环谐振腔，分析了器件的各项

6、性能指标与结构参数的关系；分析并比较了微环谐振腔的四种调谐机制，包括热光调谐、基于载流子色散效应的电光调谐、机械调谐和后工艺调谐。基于微环谐振腔的片上光学路由节点的研究：揭示了利用微环谐振腔开关单元构建N端口无阻塞光学路由器的一般性原理；针对片上光网络应用，设计了基于微环谐振腔的四端口和五端口无阻塞光学路由器；根据前期对微环谐振腔的理论分析和实验数据，完成了基于热光调谐微环谐振腔的四端口和五端口光学路由器的版图设计；利用标准的CMOS工艺制作了这两种光学路由器；通过静态谱的测试得到光学链路的消光比、串扰

7、以及调谐功耗；并完成12．5Gbit／s高数光基于微环谐振腔的波长选择性器件在片上光互连和光计算中的应用信号的传输实验，进一步验证了器件的路由功能；针对已有实验结果，分析了进一步提升光学路由器性能的几种方法：我们设计并制作了超低功耗的热光开关单元；制作了基于串联耦合双环谐振腔以及并联耦合双环谐振腔的、具有平顶滤波特性的光开关；研究了利用WDM技术提升片上光网络数据吞吐量的技术方案，并通过波长扫描的方法进行了佐证。基于微环谐振腔的光学向量．矩阵乘法器：本论文创造性地提出实现光学向量．矩阵乘法运算的硅基集成

8、化技术方案。我们利用基于微环谐振腔的波长选择性调制单元构建了多种可实现光学向量．矩阵乘法运算的具体器件结构，阐述了利用微环谐振腔的波长选择特性实现光学向量．矩阵乘法运算的原理，并利用微环谐振腔的周期滤波特性进一步扩展了光学向量．矩阵乘法器的功能，使其能够完成矩阵．矩阵乘法运算。我们利用标准CMOS工艺在SOI材料上制作了基于硅基微纳波导的光学向量．矩阵乘法器的原型器件，并成功完成光学向量．矩阵乘法器的原理验证。最后，我们详细分析了该方案的潜