新型绝热微环谐腔型低功耗硅基调制器的设计

杨 真

(华东交通大学现代教育技术中心，南昌330013)

引 言

近年来，利用硅的自由载流子等离子色散效应，通过P-N结控制折射率的方式逐步发展，新的P-N结结构也不断被提出，弥补了硅材料弱电光效应的缺点，甚至实现了高达44Gbit/s的传输速率［1］。现在，硅既是超大规模集成电路(very large scale integration，VLSI)成熟的衬底材料，也是目前最有前景的集成光互连平台。光网络单元(optical network unit，ONU)光模块在每个用户终端都需配备一个，其包含了光发射机和接收机，因此通过研究占光发射机能耗很大部分、更低功耗的新型调制器，对于我国普及光纤入户和节能减排都有着重要的意义［2］。谐振腔型方面，传统只有微盘谐振腔和微环谐振腔两种。微盘谐振腔内部传播回音壁模式，因此弯曲损耗比微环谐振腔小，但只能工作在多模状态，因此自由光谱范围受到损害。并且调制器工作的区域一般要求变化陡峭且单调，多模谐振峰往往会互相重叠，不能满足要求。而绝热微环谐振腔的新腔型损耗低于微环谐振腔，又能保持单模运转，综合了传统的两种谐振腔型的优点。

硅基调制器是在“绝缘体上硅”(silicon-on-insulator，SOI)材料上制作的调制器，具有低成本并与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工艺兼容的优点［3］。在信息量快速增长的今天，低功耗调制器成为未来通信器件的研究趋势。对腔形和载流子注入/抽取结构的研究可以进一步改善绝热微环谐振腔的性能，推动低功耗器件研究的发展。硅基调制器是光互连和光通信终端的最佳解决方案，成本低，且与CMOS工艺兼容，可以光电混合集成。随着通信量的不断增长，低功耗调制器的地位也越发重要，有着迅速商用化的前景。

1 低功耗理论研究

一般而言，调制器的能耗可以由下式表示:

式中，P 表示能耗，Pc，s为驱动电路静态的能耗，Pc，d为驱动电路动态的能耗;Pm，b为施加偏置电压所产生的能耗，反向偏压的漏电流极小，可忽略不计，正向偏压的电流产生的能耗则需要考虑;Pm，d是由调制电压改变时的开关能耗所致;Pm，t为调谐能耗。与调制器的光学和半导体结构相关的能耗为Pm，b和 Pm，d，研究降低功耗主要针对这两项［4］。能耗与电容的一次方成正比，而与驱动电压的平方成正比，因此减小能耗的主要方式是降低驱动电压［5］。从原理上看，调制的能耗是使载流子耗尽所需要做的功［6］，因此在谐振线宽不变的情况下，P-N结区域越小(调制器尺寸小)，能耗也就越低。在保证消光比不降低的情况下降低功耗，就要求谐振峰要细锐［7］，具有高精细度F值，同时谐振峰漂移量对于折射率的变化应更大(耗尽层宽度变化大)。另一方面，过高的F值会造成高光子寿命，从而降低调制器的带宽［8］。实际设计时谐振腔的精细度F是折衷能耗与频率响应的结果［9］。

按照上述关系，整体改善调制器性能的方式主要有3种:(1)在谐振峰宽度不变的情况下降低谐振腔尺寸，这就要求使用新型低损耗谐振腔，因此可以给出一种方案，即需要以降低调制器能耗为最主要手段，而且可实现的最小尺寸受到弯曲损耗和工艺水平的制约;(2)优化半导体结构，增大耗尽区与光场重叠面积，增大谐振峰漂移量;(3)优化电学特性，降低电阻电容(resistor capacitor，RC)常数。

2 绝热微环调制器的设计与优化

设计一个微环调制器，需要考虑的组成部分包括:腔型设计、与直波导的传播常数匹配、P-N结结构、载流子注入/抽取结构以及驱动电压的确定。腔型设计如下:可以选择普通微环谐振腔、微盘谐振腔和绝热微环谐振腔。前两者腔型均为圆形，设计简单;绝热微环谐振腔有更好的性能，但绝热过渡曲线的设计相对复杂。与直波导的传播常数匹配:从最简单的纵向正规光波导的横向耦合模理论出发，容易得到有传播常数失配的两波导耦合系数［10］，可用下式来表示:

式中，P0和P1分别为输入波导、耦合波导的光功率，κ为互耦合系数，α为损耗系数，Δβ为传播常数失配，g为与耦合状态有关的常数。从以上两式可以看出，在传播常数失配的情况下，光功率不能全部耦合到输出波导中，并且会降低耦合系数。在大尺寸谐振腔设计中，相位匹配并不重要，因为大尺寸腔的损耗很小，因此要求的互耦合系数也很小，即使相位不匹配也很容易满足。而在小尺寸器件设计中，应当减小传播常数失配，并使自耦合系数与腔的损耗系数匹配(临界耦合状态)，以实现最佳工作状态。

2012年12 月，麻省理工学院的WATTS提出了一种新腔型——绝热微环谐振腔，在此基础上进行了改进，设计了如图1a所示的结构。在直波导与环的耦合区，传播模式为脊型波导横电(transverse electric，TE)波基模，然后经过过渡区，模式渐变为回音壁TE基模，在环的上部为回音壁模式区，是一个半径较小的圆弧［11］。光在环中谐振的每一个周期都要经历脊型波导TE基模→回音壁TE基模→脊型波导TE基模的转化。由于有回音壁模式区域的存在，腔损耗(尤其是弯曲损耗)降低。如图1b所示，可以看到该结构中的模场分布，在耦合区为椭圆形光斑(脊型波导TE基模)，在回音壁模式区为瓜子型光斑(回音壁TE基模)。更低的腔损耗允许更小尺寸的调制器，对降低调制器的能耗有重要意义。

Fig.1 a—adiabatic micro-ring resonator b—mode distribution of adiabatic micro-ring resonator

该结构的另一个优点是可应用性能更好的垂直P-N结构，并将掺杂区域全部放在环内，环外不掺杂，有效降低了模式泄漏导致的损耗。传统的侧向P-N结构在二氧化硅层上方通过一层轻掺杂的平板硅波导与环区相连。这种结构在小弯曲半径下(例如半径2μm)会导致可观的弯曲损耗，降低功耗的最重要的方式就是缩小环尺寸，因此传统侧向P-N结构难以适应低功耗调制器的要求［12］。而图1b所示的垂直P-N结构，环外不掺杂，且环直接制作在二氧化硅层上，不制作平板波导，因此在小弯曲半径下仍能保持低损耗。另外，回音壁模式不需要内边界的束缚条件，可以直接从环内用掺杂硅与环波导相连而几乎不对导模产生扰动;相比之下，微环谐振腔的导模需要内外边界提供束缚，如果采用这种连接结构会使光场大量泄漏。

3 绝热微环腔损耗和垂直P-N结低功耗特性

按以上提出的新腔型和新载流子注入结构，给出具体的调制器设计过程，并计算其性能参量。P-N结的掺杂工艺通常是离子注入，注入浓度在结区内近似按高斯分布，且数值也并不十分准确。工艺上的精度无法满足过于精确的设计参量，因此本文中采用较优的一组通用P-N结参量:重掺杂P+，N+浓度为1×1020cm-3;轻掺杂P，N浓度为1×1018cm-3。结区中线位置为135nm，波导高度为240nm。结区中线向一侧偏移，是为了让对折射率调制更明显的P区与光场有更大的重叠面积。反偏电压0.9V时，耗尽区宽度约为69.9nm，反偏结电容约9.6fF;正偏电压0.9V时，耗尽区对光场的影响可忽略不计。采用外半径为2μm的绝热微环谐振腔，完整腔型见图2。

Fig.2 Structure diagram and sections of adiabatic micro-ring modulator

Fig.3 State diagram of amplitude modulator

模拟仿真实验正偏压、反偏压时的模型设置为:分层结构中P层、N层、I层、P+区、N+区，以及电极如图2所示，并分别设置好它们的复介电常数。两图的区别在于耗尽层的宽度不同，对光场分布有不同的影响。耦合距离和直波导宽度按正偏压的临界耦合优化。由于研究关注的重点是低功耗，调制速率并不是优化的重点，因此载流子注入结构只设计了90°。分别模拟设置正偏压(0码)、反偏压(1码)的传输特性，经过仿真测试，可以得到如图3所示的软件仿真结果示意图。曲线1表示逻辑1码，曲线2表示逻辑0码。从图3中可以得到工作波长1.51μm处的消光比为13.5dB，插入损耗为2dB。模拟其电学特性，可以得到如表1所示的结果。

Table 1 Frequency response characteristics of adiabatic micro-ring resonator

其中正偏压电阻是包括耗尽层电阻在内的值，反偏压电阻为载流子注入/抽取结构的电阻(不包括耗尽层)。按这一电阻估算，漏电流本应小到忽略不计的量级，但实际器件中，由于正偏压0.9V已经接近内建势0.96V，所以由于工艺水平的限制，漏电流还是会接近微安量级。RC常数取反偏状态下的结果计算。

按10Gbit/s的调制速率理论计算其能耗，可以表示为:

式中，第1行等号右边第1项为耗尽P-N结需要的开关能量，第2项为漏电流的热损耗，其中C为电容，V为电阻，I为电流，t为时间。可以看出，漏电流与开关能耗相比还是微不足道的。最后，将所有参量列于表2中。

Table 2 Parameters calculation/analog value of adiabatic micro-ring resonator

仿真实验及理论计算表明，该调制器实现了大消光比下的较低功耗。设计时根据实际需要，还可以用消光比来换取更低的能耗或更大的带宽。值得注意的是，该调制器的谐振腔实现了高F值与低品质因数Q的特性，因此光子寿命几乎不会对带宽造成影响，是小尺寸调制器的一大优势。另外，这一实例只设计了90°的载流子注入/抽取结构，增大其角度可以进一步提高带宽。

4 结论

新型绝热微环谐振腔和传统微环谐振腔，前者不但谐振谱线宽更小，利于实现低功耗调制，而且还可使用能耗减小一个数量级的垂直P-N结构，可以说是完全超过了传统微环的新腔型。研究了该腔型的线型设计，进一步降低了其腔损耗，并给出了具体的设计方法。该方法也是优化绝热微环谐振腔的系统方法。具体仿真设计了一个绝热微环调制器，并理论计算了其重要参量，实现了高消光比下极低的能耗。

［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.