关于光学互联网络的子波长硅光量子器件（待续234）

（章回2，3，4的内容文本待续）

（附图与文本内容一致，符合国际标准）   
ieee电脑设计与测试 2013                                              2021-1-23
随着我们对信息的需求增加，对网络处理大量的数据的能力的请求也一样。在最近的将来常规的在芯片电气网络逼近了它们的极限如潜在性，功耗和数据速率，需要由新的技术替代。光量子网络对电气网络保证了巨大的进步，但是还有几种关键的挑战阻碍了它们的广泛布局.
本文焦距在解释集成的光学通讯网络内的编码和路由数据问题。这是通过电气驱动的光学开关或者调制解调器实现，它能够从一个二进制的电气输入信号产生一个二进制的光学数据流。用于评估这些器件的原始量度是空间的脚印，调制解调/开关速度，每位的工作电压和功率损耗。第二个关心的问题是期间的带宽，互补金属氧化半导体（CMOS）兼容性，制造误差和器件损失的允许度。这里我们呈现了一种电气驱动光学开关的理论设计，利用混合的硅绝缘体金属波导有一个30微米平方（um**2）的脚印，57G位(bit)/秒（s）开关速度，2.6f焦耳（fJ）/bit的功率损耗，和1伏特（V）的工作电压。我们还呈现了实验上确认混合硅绝缘体金属波导，其形成了该设计的基础。  

目录
章回
1 介绍                                               1
  1.1 动机与应用                                     1
  1.2 硅内的光学调制解调                             6
      1.2.1 电气吸收性调制解调：自由载体注入         7
      1.2.2 电气折射的调制解调：普克尔效应          12
  1.3 概述                                          14
2 间隙波导                                          16
  2.2.1 马赫-曾德尔干涉仪调制解调器                 20
  2.2.2 间隙波导指向耦合开关                        22
3 混合波导理论                                      31
  3.1 混合波导的基础                                31
  3.2 混合波导器件                                  38
      3.2.1 指向耦合器                              38
      3.2.2 光学开关                                39
      3.2.3 混合波导指向耦合器                      42
      3.2.4 基于混合波导的电气光学开关              46
4 混合波导制作和测量                                58
  4.1 制作                                          60
  4.2 有效的指示有效                                65
  4.3 开关长度确认                                  71
5 总结                                              77

                         表格
表
  4.1 指向耦合器传输                                74
                         示意图

图
1.1 这张图示范了微处理器工业符合摩尔定律. 它在一个半log尺度上绘制了CPU上晶体管的个数对时间的图。           2  

2.1 这张图显示了一个槽型波导的几何有（a）无限高和（b）有限高.  2
2.2 图显示了一个槽型波导的TE模型基础其组成为两个硅脊突220纳米（nm）高，160nm宽，隔开间隙为130nm沿着一个横截面，在那个模式的横向E场. 19
2.3 图示了每个镇定的MZI调制解调器臂的光学间隙模式.     23
2.4 图示了用于MZI调制解调器的每个臂的间隙波导的静电仿真. 左边的电极保持在+1V，而右边的电极保持在-1V。间隙间的压降是0.4V.   24
2.5 图示间隙波导MZI的传输为施加电压的一个函数。这假设了有10pm/V的一个EO系数的聚合物，且电极置于每个MZI臂的各侧1um处.    25
2.6 图示了COMSOL仿真，显示了间隙波导MZI在块状态的传输。 上臂与下臂的光同相，，并且建设性地加到底部臂的光。 25
2.7 图示COMSOL仿真，显示了在块状态的间隙波导MZI的传输。 上下臂的相差π，并且当它们重新组合时，从波导散射出去.    26
2.8 图示了推拉间隙波导指向开关的基本设计。硅脊突160nm宽220nm高之间间隙130nm。阴极和阳极为中央脊突各边的1um，顶部电极为1um在氧化基层之上.    28
2.9 图示和静电仿真间隙波导三脊突开关。 施加的总电压对准光学极化性相当低，对+-1V仅为0.1V给电极。 可是， 施加的电场反向产生了一种推拉的场景有效地翻倍了系统的效率。  29
2.10 图示COMSOL仿真显示了不同状态下间隙波导三突脊开关的传输. (a)显示开关在条状态的传输，（b）显示开关在交叉态的传输，和（c）显示开关工作在一个50/50功率分裂器的传输    30
3.1 （a）合适的金箔TM表面模式. (b)合适的硅突脊模式. (c)组合系统的TM模式，（d）E场的垂直部分，沿着（a）和（b）几个模式的和的截面，与组合系统的E场的垂直部分叠加。 每种情况下模式的形状相同，导出结果模式（c），为模式（a）和（b）的组合。   33

3.2 图示模式幅度|a+（W，G）|**2如何随间隙变化在硅脊突和金属帽子之间，G，对不同的波导宽度，W.对于一个混合的波导这种独特的布局保留了介电特性在整个可能的间隙范围，并且绝不变成等离子自然特性（|a+(W,G)|**2）<0.5.        36
3.3 (a)随着层的厚度减少隔开层中的E场的增强，（b）随着隔开层的厚度家少，E场的横向扩展也减少.   37
3.4 (a)混合波导的有效指数比波长的变化如不同的隔开层的厚度变化所示。 随着隔开层的厚度的减少，由于金属膜的光学特性开始主导它的行为波导变得更加分散。（b）混合波导的传播长度（场开始衰减到1/e它的初始值的距离）高度取决于隔开层的厚度。小的间隙大小产生更加宽松的波导.   37
3.5 图示一个COMSOL仿真演示两个介电波导之间的功率耦合的途径。显示了俯视每个波导1承载的功率，在它注入指向耦合器之后.     40
3.6 图示条形和交叉的一个指向耦合器之间的差别.      40

3.7 图示简单演示了一个指向耦合器开关是如何工作的.实线代表功率载入非修改的条状模式给一个指向耦合器，有Lc1=5µm.虚线表示功率载入修改的条状模式Lc2 = 4µm.期间的总长度必须是10µm，来使能这些参数的正确开关.  43     

3.8 图示了两种混合波导几何和一个450nm*220nm硅脊突波导的耦合长度和间隔中心距之间的关系.窄突脊的混合波导在大约300nm的一个间隙上有截止，所以，绝达不到小的耦合长度如较宽的硅背脊对小的间隙可实现的.背脊波导总是具有一个较大的耦合长度比较它的混合同行，由于光学模式较强的约束.  45  

3.9 图示一个混合波导中的光学模式的磁性部件如何贡献给指向耦合器的行为.本仿真使用的混合波导是220nm高，300nm宽，和一个50nm的间隙.所有的图像是一个COMSOL本征模式的仿真，并且彩色场显示了TM E场模式，并且轮廓图显示了横向B-场.(a)两个混合波导的对称模式分离1µm.(b)两个混合波导的非对称模式分开1µm.在这两个模式，磁场相当弱地作用，造成非常小的模式变形.(c)两个混合波导的对称模式分开400nm.(d)两个混合波导的非对称模式分开400nm.在这两个模式中，磁场强相互作用，造成模式大的变形，并且贡献了对称与非对称模式之间的一个比普通模式更高的失配.      47      

3.10 本图所示耦合混合波导的奇数和偶数模式之间的关系，以及波导之间的中心距.显示了两种不同的波导，100nm宽的硅突脊和300nm宽的硅突脊.两个系统均有一个100nm的间隔层.较窄的波导具有奇数模式的一个模式截止，对于间隔低于300nm.还显示了450nm*220nm的一个硅脊突波导的模式的比较.   48

3.11 图示了两个耦合混合波导的一个COMSOL仿真，以及TM E场的横截面取自一个100nm间隔的中心.对称与非对称模式之间的不匹配相当的大，其导致了两个波导之间的强烈耦合.     49  

3.12(a,b)一个COMSOL仿真显示了E场（表面图）和B场（轮廓图），给一个耦合混合波导系统的偶数和奇数模式.奇数模式中的B场的相反符号造成模式的相互排斥.这导致模式从器件弯曲开来.在偶数的模式，B场具有相同的符号造成它们连在一起.接着这造成整个模式“弯”入耦合器的中心,比正常的突脊波导，并且还产生一个更加动态和可转动的系统.(c, d)A COMSOL仿真显示了一个耦合突脊波导系统的偶数和奇数模式的E场（表面图）和B场（轮廓图）.由于强的硅约束模式的高度隔离禁止了模式的移动性，并且防止混合系统中演示的几种耦合.     

3.13 EO开关的横截面视图                    52

3.14 (a)图示了优化混合波导指向耦合器的对称模式的一个COMSOL本征值计算结果，导出到matlab程序来进行后处理.(b)图示了优化混合波导指向耦合器的非对称模式的一个COMSOL本征值计算结果，导出到Matlab程序来进行后处理.（c）图示耦合器对称和非对称模式的和，其为激发的根本模式，当光线输入到耦合器的一个单臂.(d)图示耦合器中的场在场输入（如（b））所示传播了一个耦合长度，Lc之后.功率几乎完全开关到耦合器的另一个臂，并且集成功率在每个臂上，并且得到一个消减比值(−10Log(P left /P right(P左/P右) ))29.5dB.      54  

3.15 对于光电聚合物和器件内光学模式之间的驱动电压重合.光学场超过70%是完全均匀的,并且可以合理地期望来提供光学模式的较大变形自由调制. 55

4.1 图示了一个制作的混合波导的横截面扫面电子图像.硅背脊突的高度220nm，集合物层是145nm±5nm，在芯片的平截面上，且85nm±10nm在硅突上.

        62

4.2 图示了一个混合波导的SEM图像，有一个垂直的栅格耦合器周期为880nm. 63

4.3 图示SEM指向耦合器的图像，在用聚合物和金属处理之前.耦合器是64µm长，波导是360纳米(nm)宽，220nm高，它们之间的间隙时150nm宽.   66

4.4 图示SEM指向耦合器的图像，以PMMA插入处理，显示了栅格耦合器的接近视图.通过研磨出耦合器上四个端口上的各个金属得到栅格.指向耦合器本身是64µm长，并且端口隔开180µm.     67  

4.5 图示指向耦合器的扫描电子显微镜（SEM）图像，以插入SU-8处理，显示了隔栅耦合器的接近视图.通过研磨出耦合器上四个端口上的各个金属得到栅格.金属跨300µm，并且置于远离中心60µm.指向耦合器本身是64µm长，并且端口隔开180µm.     68

4.6 图示了一个125µm混合波导的传输频谱.法波里菠萝边缘的周期是1.80*10**12±5*10**10Hz.器件位移的峰值传输是在0dB.这一测量的信噪比找到是2.       70

4.7 图示了传输通过4个不同长度的一个直的混合波导在不同的芯片上，在类似的条件下制作. 传输曲线拟合每个器件的一个有效指标的指数和虚数部分，提取并与理论作比较。器件有一个虚数有效的指标等于0.004958.  72

1.1 动机和应用

美的半导体工业是20世纪的最大成就之一。这一工业的成功之处是由它的创新和能力现象速率不断地输出新的技术。半导体工业的进步由戈登摩尔的文章于1965年预言，其中他观察到可以集成到每块集成电路上的部件在一定的时间会以指数倍的增长.这一观察为有名的摩尔定律，并且自从1970年每块芯片上的部件每两年翻一倍，如图1.1所示.

                ********?图1.1？********

多年来半导体工业在芯片上的部件的微型化的爆发，来至更高的数据速率和增加的处理器功率的需求的驱使。可是每个器件的功率消耗的速率没有像期间的物理尺寸一样减少.这导致了单一芯核系统的吸热问题目前仍难以解决。由于单芯核处理器的吸热局限，基于处理器单元（CPU）的半导体单个部件微型化的驱使近年来由平行计算的运动代替，增加三极管数量而迁移发热的问题。高性能计算的新的教条式多芯核系统。处理器芯核的定标成为主导的机制来保持对计算能力不断增加的需求。平行计算对机器基于单个CPU有数个短板。一个重要的问题是对要求的软件增加复杂程度使能有效的并行处理。数据管理和软件平行化是阻碍多芯片核电脑的难题。其它主要的问题是关于网络的互联使能芯片核之间的数据传输。使用的在芯片上的互联的最广泛的技术是铜基的电气互联.而这些网络成功地缩放尺度达到了带宽的需求，铜基互联的局限变得日益明显，由于互联密度的上升要保持与处理器芯核的尺度一致。铜（或者任何电气）互联的主要局限之一是电阻和导线的时间常数传输电气数据增加，由于器件的尺寸下降，导致高集成系统中传输信息的高能量成本。另外，电气互联就损失，分散和串话和带宽正在到达他们的实际局限。最近增加的电气互联的带宽满足数据饥荒系统的需求例如超算，仅仅实现在以增加的潜在性和功率损耗为代价。

此时，光学件替代电气互联就好像光纤网络开始代替电话线做为原始的机制在超长距离上传输数据。光学网络已经提供了快，可靠的数据传输在长距离介质中（尺度为数米到数公里），但是采用这些网络在毫米和更小的尺寸变得难以琢磨.光学技术将覆盖非常短的距离，随着技术变得更加成本有效，可靠性问题可以很好地解决，以及增加带宽和减少能耗的需求驱动了微米和纳米光量子学领域的创新.光学互联的主要应用是高性能计算，数据中心和移动至服务器互联甚至个人电子学.光学互联的潜在能力比它们的电气同行具有多个主要的优势.首先它们使能了电子期间的分离，允许芯片布局优化，同时保持高的数据率.另外，光学网络有几个出名的优点例如，较低等级的电磁干扰，减少电缆长度，重量和可能的成本，并且实质上节约传输数据使用的能量，和过热的能量损失.光学信号也可能保持精确的时钟和信号时序，提供一个更加柔性的设计平台，会减少互联密度，允许信号多路转换和减少潜在性。

对于计算应用特别感兴趣的是光学互联保证了功耗的减少，通过互联和潜在性消减.功率损耗是电气互联的一个重要的关注，对于大尺度的系统，由于以成本有效的方式从芯片上排出热量期望在可见的将来保持稳定.在一个电气互联中转换成热量的能量在网络中互联的数量的尺度是超级线性的.在一个电气互联网络中的连接数量成几何数的尺度以芯核数量，由于每一个芯核需要一个点到点的连接给每另一个芯核.由于在互联上的这一约束，添加芯核增加了计算系统的功率不仅造成更多的互联，还增加了网络的密度，面临独立的连接变得更小。不幸的是，在电气互联中使用的导线尺寸缩小增加了它们的电阻，因为载流的导线的电阻给出为：file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps1.jpg，file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps2.jpg是线材的电阻率.L是长度，而A是导线的横截面.每次连接造成的增加的电阻产生大量的热当尺寸缩小时.相反地，收发机的尺寸确定了光学互联的能量成本，并且以器件设计会减少.在130nm半高程CMOS制作中，大约51%的微处理器功率被互联损耗，以不改变设计哲理的计划，在下五年中，上至80%的微处理器功率将被互联损耗. 光学互联，相比理论上可以有子线性功率测量尺寸用处理器计数。由于互联能量的尺度温度的关键特性，低功率光学互联对广泛的应用有极其高的需求.

另一个比电子优越的光学网络是在潜在性上.潜在性是延时的一个测量，经历于一个系统的一个信号之间的收发.电气信号受到一条导线内漂移速度的限制，其接着取决于导线的长度和端头之间的压降： file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps3.jpg，这里µ是电子的导线材料里的移动性，V是导线起始端的压降，L是导线的长度.这意味着增加通过一条电气导线的信号的速度，电压和/或者电子的移动性必定会增加.移动性一般是材料的函数，而且需要高电压给专用电子同时通过阻抗发热将会造成更高的能量损失.这基本上限制了电气信号可以传播的速度，并形成了网络的潜在性.相比，光学网络以光的速度传播信号.这是电磁信号可以传播的多么快的上限，所以光学网络自动地会有最小的可能性潜在性对于它们的布局.

另外节能和减少潜在性，光学互联会用于多个波长在单一个波导（波长分区多路转换（WDM））来不仅提供较高的带宽密度给完整的互联，还与在芯片组合，电压变量分隔提供选择性路由可能性，其可能用于基本上不同的信号处理功能，比那些现有的.这提供了极大增加带宽的保证，甚至是在减少必要的互联数量时来运载所有的信息.

为了达到这些重要的目标，光学网络需要最小化，同时集成到现有的计算机建筑结构中去.朝着这一目标的最有保证的技术是硅光量子学.对于光学互联硅光量子学是选择的平台，有各种原因包括它的低制造成本，与COMS技术的兼容性，高密度可集成能力，刚度好的材料和优秀的性能.由于硅的间接带沟和中心对称晶体结构，而它对于光学应用不是一个理想的材料.间接的带沟使得硅光源不足，并且中心对称晶体结构造成它的零线性光电或者普克尔系数.除了这些限制之外，硅光电子网络必须能够执行不同的功能，需要宽的阵列不同的有和无源的器件来产生，弯曲，分离，过滤，开关，延时和检测光学信号.一个光量子网络能成功运作的最关键的器件之一是一个光学调制解调器.  

1.2 硅内的光学调制解调器

一个光学调制解调器是一种器件改变一条光学线束的幅度，相和/或者极性化.对于光学互联解决方案光学调制解调器是所需的功能性之一.在一个光量子网络中一个光学调制解调器的原始目的是调节光源.这一调制解调器可以直接或者从外部进行，但是外部调节比直接的提供了几种优势：光源相对便宜，并且它的运行不需要直接的调节组成，调节速度可以更高，直接调相是可能的，对于整个系统，光学分离和波长稳定性只需执行一次.进一步讲，通过单独的调制解调器一个单独的光源可以供给多个通道，从而减少系统的总的功率分配.还很希望由一个电气输入来驱动光学调制解调器，由于这允许与现有的技术方便地集成，在芯片上快速响应，并与下面的电气部件同步.电气驱动光学调制解调器主要划分成两大类：电折射和电吸收. 电折射调制解调器运行使用一个施加的电场来改变一种材料的折射指数的实数部分（∆n），而电吸收调制改变指数的虚数部分（∆κ）. κ相关于 α，线性吸收系数，由关系式 file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps4.jpg表示，这里λ是光学波长.

1.2.1 电吸收调制解调：自由载体注入

天然的硅晶体有非常局限的光电用途，由于缺少它的中心对称晶体结构导出的普克尔斯效应.另外，珐琅兹-凯尔帝旭效应和科尔效应两者太小局限了其使用在有源光电器件例如光学调制解调器.取而代之，带电载体效应必须使用来引入晶体硅的电吸收响应.最常使用的带电载体效应在硅内产生光学调制解调器是自由载体的吸收，来至通过一个p-i-n结点注入载体到一个天然的硅光电元件.

在一种本质的半导体中，导通带的电子数总是等于价带空穴数.若晶体有渗入，

可以有意地干扰电荷的平衡，例如，若不同的原子（杂质）引入来替代原始形成导体晶格的一些原子.这些杂质通常比它们替代的原子具有不同的电子数.

在一种纯的硅晶体内，每个硅（Si）原子有四个价电子可以形成路易斯八位体与四个其它原子. 当偶然一个电子被热激励或者晶体效应摇晃松了，硅成为了较弱的导电体. Si可以掺入磷（P），氮（P）或者砷（As）原子，它们有五个价电子.第五个电子不需要粘接，并变成电流的载体.这是一个有效的自由电子有结合能类似于氢的.

               file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps5.jpg

这里m是Si里的一个电子的有效质量.这一能量是毫电子伏特（meV）的几个10s的次数，其允许P原子“捐献”一个电子给晶体.这把材料从一个绝缘体改变成一个差的导体，在室温下.一种材料掺杂，例如P，参照为“n-型”.

类似地，如果Si由硼（B），铝（Al）或者镓（Ga）代替，硼作为一种接收者.B少一个价电子比Si，并需要附近的一个Si原子捐献一个价电子来形成一种晶体结合.B“接收”了电子，成负离子化，而Si价结合丢失的电子参照为一个空穴.一种掺入接收器的材料称为“p-型”. B原子的结合能E给出为：

             file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps6.jpg

这里m是硅的空穴有效质量.

在环境温度下，载体的浓度在本质中，技术上重要的半导体，例如Si，GaAs，InP，GaN，和CdTe，是相当地小.例如在本质的Si中，它是10**10cm**-3的次数. 结果，本质材料在器件技术中不广泛使用. 但是，它们恰当地掺入，在整个晶体增长时，或者外延层沉淀时.这些材料参照为非本质性半导体，并且掺入杂质都是自然的.

通过施加结点的一个前向偏置，P-i-n二极管可以用来注入自由载体到二极管的本质区域.这就最小化了p和n型半导体之间的势能载体，并且允许电流从n区流向p区.当施加前向偏置时，这会促使增加本质区域的自由载体浓度.通过关掉前向偏置来施加反向偏置可以停掉这一过程.这使得n型和p型半导体的能量带进一步移的更开，并且把自由载体清出本质区域.

         file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps7.jpg

这里Q（t）是结点里的载体电荷.τ是载体重组的寿命而i（t）是流过结点的电流.若i(t)假设为常数，方程式1.3的解是：

         file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps8.jpg

电荷注入速率开始高然后指数倍地下降.结果，在施加了前向偏置之后，会很短地注入大多数稳态电荷载体. 电荷注入速率还正比于二极管的跨接电流.反向偏置条件的解是：

       file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps9.jpg

       file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps10.jpg

这里Q0是初始出现在本质区域的电荷量.

电荷注入是硅内控制自由载体吸收的原则机制.足够量的载体注入和扫出器件的有源区域的速度确定了其可以工作的速度.

     file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps11.jpg

它导致了折射指数的改变，通过柯拉米尔-克罗尼克关系式与n到k相关，反之亦然。相同的关系式对∆n和∆κ一样成立.柯拉米尔-克罗尼克关系式给出为：

      file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps12.jpg

这里e是电子电荷，c是真空中的光速，µ是载体的移动性， m是有效质量，n是折射指数，而λ0是自由空间波长.

       在硅内，当file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps13.jpg时，这些表达式是：

     file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps14.jpg

应该注意到当载体从掺入材料中删除时折射指数将会增加. 相反，当注入载体时，指数将会增加.调制是独立于极性化的.在注入的情况下，开关关闭时间大概将由少数载体寿命限制（ns到us）.可是，删除模式期望提供较快的响应时间，可能是在皮秒（ps）的范围，由于载体的扫出.电子折射的固有开/关时间是几个psf分之一.实际的响应是由光电器件的RC时间常数限制.

对于集成的光学部件，脚印或者期间的大小非常重要，由于集成的网络趋向很密.这意味着光学部件的大小必须保持到最小.为了达到调制解调函数，器件必须能过实现一个π相位移，在一束光线通过调制解调器的有源部分上.基于自由载体吸收建造一个光学调制解调器的最普通的设置是构建一个马克曾德尔干涉仪，这里一个臂可以从一个p-i-n二极管注入载体.

              file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps15.jpg

这里L是臂的长度.如果参照臂和调制解调臂之间的相延时是π的一个奇数倍，当它们重新结合时，两个波将破坏性地.这造成零的传输，其可以解释为一个二进制的零. 若两个波同相出现（甚至奇数个π相延时），它们将建设性地干扰来产生一个二进制的1.

这种调制解调器的主要局限是载体的传输时间，所需的运行电压，器件的脚印和光学信号的接收通过自由载体.所有这些局限耦合在一起.为了实现一个小的器件脚印和快的运行速度，大量的载体数必须在少量时间内注入一个期间的有源区域.这需要一个高的偏置电压可以非常快地调制.为了实现一个100um的臂长，马克曾德尔的调制解调内的∆n的必须是：

       file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps16.jpg

其对应于一个注入载体密度2.5*x*10**18cm**-3.这伴随着吸收增加21.5cm**-1,其造成一个9.5dB的损失，在穿过臂时.

注入2.5*10**18的载体到器件，然后以高速把它们扫出不是一个简单的事.注入这许多量所需的时间由方程式1.4给出，而且非常的块，但是把载体扫出是一个非常慢的过程.把载体扫出器件所需的时间由方程式1.6给出.对于10GHz的一个调制速率，载体的浓度2.5*10**18cm**-3，和一个载体阻尼时间τ p ≈ .5µs，通过p-i-n二极管所需的时间是4mA，它对于集成半导体应用有点儿相当的高.

除了具有数个限制，硅内的光电调制解调器已经成果地产生了，使用来至p-i-n二极管的自由载体，以调制速率设立至18Gb/s,而且还是一个继续研究的活跃领域.

1.2.2 电折射调制解调器：普克尔斯效应

两个主要的原因使得自由载体注入一个非理想化的平台对于光学调制解调器：损失由于电吸收和慢调制速度.幸运的是，普克尔效应可以用来构建电折射调制解调器，不引导额外的损失入系统，以及许多光电材料的响应时间具有次数倍的飞秒，幅度的次数，快于注入和扫出载体入和出一个PIN结点的本质区.不幸的是晶体硅没有二次非线性，也是有名的普克尔系数，或者光电系数.好的消息是有集成光电材料的数个方式到硅光量子器件，但是需要一些加班工作.使用光电（EO）材料有多个优点，可是，器件基于集成的硅光量子在光电材料中显示了巨大的前景对于构建快速有效的光学调制解调器.

为了理解光电（EO）器件的工作，我们必须首先使用非线性理论来分析它们.我们从麦克斯韦方程式开始：

           file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps17.jpg

这里E是电场，D是电场位移，B是电磁场，H是磁化场，J是电流密度，并且 ρ是电荷密度.另外，我们考虑结构性方程式file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps18.jpg，这里PL是线性极性化响应，而PNL是材料的非线性极性化响应.我们可以写出材料的极性化响应如下：

    file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps19.jpg

这里m是永久性双极的动量，E是电场，X**（1）是材料的线性极性化能力，及X**（2），X**（3），...是第二，三和第四非线性极性化系数.在这一分析中，我们主要关心的是X**（2），二次非线性极性化系数负责线性光电效应，已知为普克尔效应，以及光学折射，二次和谐产生和参数化震荡.线性光电效应声明了材料的折射指数变化正比于施加的电场，并且可以表示为：

       file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps20.jpg

        file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps21.jpg  

这里n0材料的非摄动折射指数，r是普克尔系数，而E是应用的电场.

X**(2)在材料中等同于零，有中心对称的晶体结构，例如晶体硅，但是在非中心对称材料中相当高例如锂铌酸盐，镓氮化砷，和一定的极性染色分子用于掺入聚合物来给予它们光电特性.这些EO聚合物是优秀的推荐材料来集成入硅光量子电折射器件.如下章回所讲，我们将验证一个等级的器件，有名的间隙波导，其允许光电材料集成入一个硅光量子平台.  

章回1.3 本文大纲

本文的大纲如下：第二章回描述了管理间隙波导的工作理论，并详细描述了设计工作，制作和测试那些结构.讨论包括了子波长光约束的分析使用介电学，并使用这些波导探索了有源和无源器件范围.另外包含的有间隙波导的局限性的讨论，以及这些问题是如何引领了混合波导的采用.章回3描述了管理混合波导工作的理论，以及指向耦合器的设计和工作，以及光电开关基于一个混合波导平台.它提供了混合模式理论的分析使用耦合模式理论以及分析了两个耦合的对称混合波导的行为.章回总结于一个光电开关的设计使用混合波导，同时分析了它的工作从光学和电气特性两种情况.章回4制作波导所做的工作，，以及进行的实验结果来确认基于它们的理论，并演示了一个混合波导光电开关的概念的证实.最后，第五章回提供了总结这项工作并指引了混合波导未来的方向.

章回2 间隙波导

2.1 间隙波导理论

间隙波导是一种新颖的波导展示了一种不寻常的光学模式向导形式，这里模式主要局限于一个低指数区约束在高指数条板之间.除了这一“逆向”的向导之外，间隙波导还能够把光约束到远低于散射极限，其其常常限制了常规波导的尺寸.不同于其它子波长光约束设计方案，间隙可以增强和约束低指数槽的光学模式，甚至当光由总内部反射指引（tiR），并且没有包括金属损耗.

这一现象可以用电磁理论解释.对于一个高指数对比干扰，麦克斯韦方程式陈述道要满足电磁通密度D的法向分量，对应的电磁场必须经历一个大的不连续场，在低指数测有很高幅度的界面.间隙波导使用这一不连续性在低指数材料的一个纳米级宽的区域强烈地增强和约束了光线.这种高约束性模式呈现了间隙波导系统的一个本征模式，并且其行为特征类似于其它强导向的光学模式.

对于一个如图2.1所示的槽型波导结构，包含有一个低指数区有指数nslot夹在两个高指数条板有指数nslab之间，系统的本征模式可以使用耦合模式理论来解答，来找到两个单独高指数条板波导的强烈耦合的基础本征模式之间的相互作用.给出的本征模式为两个单独板条本征值的一种叠加：

          file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps22.jpg

这里a和b是每种条形波导的基础基带模式的幅度.在两种无限高宽的板条的情况下，间隙模式Ex的横向电场清楚地计算如下：

           file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps23.jpg

这里κH是在高指数板条里的横向波数目，file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps24.jpg是覆盖层中场的衰减系数，file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps25.jpg是槽里的衰减系数，并得出常数A：

            file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps26.jpg

这里A0是任意常数而file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps27.jpg是真空波数.横向参数，file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps28.jpg和file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps29.jpg同时遵循关系式file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps30.jpgfile:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps31.jpg，这里β本征模式传播常数，可以求解到通过横向的特征方程式：

        file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps32.jpg

这里file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps33.jpg.

在非无限高的条形波导情况下，可以非常容易地计算出本征模式的数值，使用一个如COMSOL多重物理量的工具.这种结果之一，

                 *************？（图2.1）？************  

计算如图2.2所示，这里两个160nm*220nm高的硅背脊由一个130nm的间隙隔开，形成一个耦合的间隙波导模式.模式焦距了大约60%的光学功率入脊背之间的槽.改变系统的物理学或者光学参数显示提供了在低指数区域最高的光学场的集中.

*************？（图2.2）？************

间隙波导的最有趣的特征之一是大多数的光学场是承载在硅的外面.

                      *******  Pg.35/99********

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps34.jpg  file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps35.jpg  file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps36.jpg

           

2.2 间隙波导器件

2.2.1 马克曾德尔干涉仪调制解调器

一个马克曾德尔干涉仪（MZI）是一种器件把输入的光学信号沿两相同的路径分裂开，然后重新把信号组合在一起产生一种干涉仪效应。这两个光学信号以变化的速率累积相同时横过MZI的臂，并且当它们合并时，它们根据它们相关的相建设性或者破坏性相互干扰。在导波光学的情况下，我们可以假设光学场仅仅沿波导内的传播方向变化（例如它们是波导的本征模式），并且给出为 file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps37.jpg和file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps38.jpg，这里L1和L2是MZI的臂的长度。

      file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps39.jpg

这里file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps40.jpg是模式每个臂的传播常数. 如果我们从MZI求解强度输出，我们找到：

      file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps41.jpg

这一解答有两个特殊的情况。 如果 file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps42.jpg，这里n是一个整数，然后方程式2.6成为：

    file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps43.jpg

并且如果file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps44.jpg那么：

         file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps45.jpg

这些是两种光学波之间的完全建设性和破坏性干涉之间的条件，并且形成了一个光电相调制解调器的基础.

           

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps46.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps47.jpg

************?(图2.3)?**************

************?(图2.4)?**************

************?(图2.5)?***************

************?(图2.6)?***************

************?(图2.7)?***************

************?(图2.8)?***************

************?(图2.9)?***************

************?(图2.10)?**************

章回3 混合波导理论

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps48.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps49.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps50.jpg

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file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps52.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps53.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps54.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps55.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps56.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps57.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps58.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps59.jpg

3.1 混合波导的基础  

              file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps60.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps61.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps62.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps63.jpg

file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps64.jpg

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file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps69.jpg

章回4.混合波导的制作和测量

如前章回所示，混合波导理论预测了基于硅-绝缘体-金属（SIM）的器件堆栈，可以用于构筑新颖有用的光量子器件。另外基于SIM结构的器件可以产生子波长光约束而从金属平衡光学损耗使用在它们的建筑中。使用这种技术的有效器件在速度，功率损耗和器件脚印上提供了巨大改善比有源光量子器件使用竞争技术例如环形共振器，马克曾德尔干涉仪，慢光光量子水晶开关和载物注射硅突脊开关。

      ***********Pg.74/99**********  

4.1 制作

混合波导设计来与标准的CMOS处理兼容。

4.3 开关长度确认

下一个实验     

。。。。。Pg.90/99。。。。。                           

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两个器件的制作如章回5.1所描述，并且PMMA器件的传输测量使用一个光纤探针站有一根光纤耦合铒激光来照明.不幸的是，在完成PMMA器件测量之后，探针站有有一个软件误差妨碍了进一步的测量.SU-8器件在一个不同的探针站上测量，所以两次测量之间的功率耦合效率有别.测量的结果如表4.1所示.

。。。。。？表4.1：指向耦合传输？。。。。。

器件总的传输部分是由于器件的损失，但主要是由于垂直栅格耦合器的非常低的耦合效率.耦合器描刻在350nm宽的波导上，但用10um激光点照亮.输入耦合器的绝对最佳情形耦合效率等于波导的面积对激光点的比值：file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps76.jpg. 可是，若重复使用光纤探针站，我们观察到平均的端到端传输效率对于10%的完全照明的栅格。结合这两个效率得出一个预测的端到端的传输为0.445%.下一步，我们需要考虑混合波导的传播损失. PMMA器件有一个平均虚折射指数0.0065，其可以转换为一个特征传播长度使用下一个公式：

              file:///C:UserszxfAppDataLocalTempksohtml13840wps77.jpg

这里Lprop是传播常数，贝塔是混合模式的传播常数，拉姆达0是自由的空间长度，而n”eff是混合模型的有效指数的虚数部分。这一方程式给出了一个35um的传播长度.器件180um长，等于5.1传播长度.这使得场衰减到它的原始值的e**-5.1. 结合所有这些效率因数一起得到一个期望的端到端-45.5dB的传输.第二个光纤探针站具有一个较小的斑点大小（2.5um/10um）,和一个不同的影像系统导致在SU-8器件上观察出不同的效率.第二个系统的较小的斑点大小会给出一个期望的端到端-39.5dB的传输。另外，两个测量系统有不同的噪音等级.PMMA器件的噪音地面=~-76dB，而SU-8器件的噪音地面是-90dB. 两个器件的净传输与期望的很好一致.

这一结果明显地演示了期望的耦合效果.光线从交叉部分出现输入到PMMA器件，并且从条状部分输入到SU-8如理论所预测.这确认了在COMSOL进行的耦合长度的计算.在一个混合波导指向耦合器的介电间隔层的指数的扰动造成波导之间的功率切换.而这不是一个真实有源器件的工作，实验与理论很好的一致，证明开关的概念很好.

  

章回5.总结

由于对在芯片上部件上的关键尺寸的缩小尺寸的增长成本和困难，及计算功率的增长的需求，芯片核处理近年来对处理器的功率尺度化成为主导的机制。就计算功率多芯核系统可以提供许多的优势，但是它们的增加的复杂性必须要一个复杂的互联系统来处理芯片核内的通讯。目前，电气互联能够保持现代多芯核系统的带宽，但是我们很快到达基于金属互联的实际极限，如速度，带宽，功率损耗和复杂性.光学互联是它们的电气同伴的可靠的替代，但是数个技术挑战，及缺少集成的，高速，低功率有源光量子器件限制了它们的布局。

文中我们提议了一种新的光学开关基于一个混合的硅-金属波导平台。混合波导是一种新颖的波导结构实现了离子化的子波长光学模式限制而排除了器件损耗.它们还演示了数个有趣的特性例如允许光电材料的集成，波导在光学和几何学特征中的高灵敏度摄动，对材料的直接电气接触，在硅背脊和金属帽之间，简单的制作和CMOS兼容性.由于这些特性，混合的波导是理想的结构对于产生有源光量子器件，例如调制解调器和开关.

呈现了一个混合波导光电开关的设计，以及分析了它的特性.使用一个混合波导指向耦合器作为一个设计基础，设计了一种光电开关有一个30µm**2的物理脚印.另外，分析了开关的性能，找到了最大的开关速度为57Gbit/s,而工作在±1V.开关演示了非常低的功率损耗2.6fJ/bit,而工作在最大的速度，以及29.5dB的衰减在条形和交差态之间，和仅仅的1.6dB传播损失，由于它的非常短的长度.这一器件显示满足了许多而不是全部的开关的要求，为了下一代的光学互联.

我们还从实验上确认了许多混合波导的光学特性.混合的测量出的实数和虚数的有效指数部分显示与有限元（FEM）仿真很好地一致.另外，进行了一个光电开关工作的模拟实验，结果很理想.两种几乎相同的混合波导方向性耦合器件做了出来，仅仅在聚合物隔离层的折射指数有变化，分开了硅脊背突和金属帽子.这模仿了施加一个电压给一个光电聚合物会变化. 每个器件的传输有测量.以较低指数聚合物（PMMA）制作的器件显示了条状口传输-29.5dB，和交差口传输≈−20 dB，而高指数聚合物器件（SU-8）有一个条状口传输≈−22dB，和一个交差口传输-50dB.这演示了清楚的开关行为，通过低指数间隔层的指数的变化，并且确认了使用COMSOL进行的计算.   

混合波导还有许多工作要做.它们是一种新的和激励型硅光量子激励型结构，对未来的使用在许多的器件中有很大希望.在实现理想之前，还首先需要完成多个任务.首先，必须建造使用电气驱动的EO聚合物的一个真实的有源混合波导，并且特征化.为了集成混合的波导到现有的光量子网络，标准的硅波导和混合波导之间的耦合必须优化并集成到混合的器件设计.另外，必须理解器件的热和处理过程的变化，以及系统对这些变化的允许度必须与任何将来的器件的设计相结合.最后，混合波导需要完全集成到光量子网络中，并且布置在不同的平台上，例如，高性能计算机，数据中心甚至和消费电子品.  

面临光量子网络的发展有许多障碍，但是它们的将来是光明的，万事皆有可能。新颖的结构例如混合波导推进了在整体上可以实现小尺寸的光学互联，在计算上跨出下一大步好像仅仅是时间上的问题，通过实现快速，功效的光学互联来帮助新的处理器芯尺度的教条.   

附图如下：

（章回2，3，4的内容文本待续）

ieee电脑设计与测试 2013                                           2021-1-23

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