题目 (英)Design of 16-channel Tunable Filter

Based on Micro-ring Resonator

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Abstract

文章主要探究和设计一个波长范围从 1543.6-1556.4nm 的 16 通道

可调谐滤波器。基于脊形硅基波导，通过传输矩阵法对微环谐振器

进行理论分析，利用 MATLAB 软件设计和优化了滤波器的基本结构

参数，同时采用 Rsoft 对理论优化结果进行仿真验证并调整相应参数。

本文将从微环谐振器的研究现状、理论设计、实际仿真和制备工艺

等方面，详细阐述滤波器设计的整个过程。

2

目录Abstract......................................................................................................2

Background................................................................................................4

Device Description.....................................................................................6

Parameters Optimization—Matlab..............................................................7

1、耦合模理论........................................................................................7

2、参数 R 和 m 的确定.............................................................................9

3、单环特性分析...................................................................................12

4、串联微环个数的影响.........................................................................12

5、串联 4 环结构的参数优化...................................................................15

6、模拟微环谐振腔的 16 通道滤波特性.....................................................17

7、插入损耗的计算................................................................................18

8、输出信道之间的串扰.........................................................................18

9、偏振特性的研究................................................................................19RSOFT Simulation——Fullwave.................................................................19

1、确定 3D 折射率................................................................................19

2、2D 替代结构参数设置........................................................................21

3、确定 ring resonator 半径 R....................................................................23

4、Fix the gap between straight waveguide and ring resonator............................23

5、Fix the gap between the ring resonators....................................................24

6、单环仿真.........................................................................................26

7、四环仿真.........................................................................................28

8、 关于两种激励方式的思考..................................................................31

3

EO Modulation —— Ring Resonator of Ultra fast Response................................................33

高速电光调制的实现方法........................................................................33

1、器件结构：主要分为三种机制.............................................................33

2、外部补偿改进...................................................................................36Fabrication..............................................................................................................................38

1、波导及掺杂区制作概述......................................................................38

2、电极制作概述...................................................................................40

3、工艺方法.........................................................................................41Pending Problems...................................................................................................................50Appendix................................................................................................................................53

Reference：............................................................................................................................55

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Background

Highly compact electro-optical modulators have been demonstrated in compound

semiconductors. However, in silicon, electro-optical modulation has been demonstrated only in

large structures, and is therefore inappropriate for effective on-chip integration. Electro-optical

control of light on silicon is challenging owing to its weak electro-optical properties. The large

dimensions of previously demonstrated structures were necessary to achieve a significant

modulation of the transmission in spite of the small change of refractive index of silicon.

Light-confining resonating structures can enhance the effect of refractive index change on the

transmission response. In order to break this limitation, Silicon ring resonators were used for all-

optical modulation.

Qianfan Xu[1] and his group members first made an contribution toward small-size silicon

optical modulator with a ring resonator based on p-i-n structure coupled to a straight waveguide.

The discovery was published on Nature.

Our group tracked Qianfan Xu’s follow-on work as well as other improving work made by

some other groups: 1) to break the tradeoff between extinction ratio and speed , Qianfan Xu

proposed an device with ring resonator embedded in a NPIN structure. 2) Nick K. Hon[2]

proposed an silicon depletion-type microdisk electro-optic modulator with electively integrated

Schottky diodes, which enhances high-speed. 3) Qianfan Xu’s group suggested another way to

improve the modulator speed with pre-amphasis technique. 4) Michael Gad’s group proposed a

tunable ring resonator _RR_ formed from Si/SiO2 waveguides with an electro-optic polymer

cladding with emphasis on the trade-off between the tuning voltage and ring radius and etc.

In this document, we adapt the NPIN structure proposed by Qianfan Xu’s group in this filter

device.

We first made an analysis about the theory of modal coupling between straight waveguide

and ring resonators, and between two ring resonators. Taking into account that the limitations

proposed in the homework, we fix the reasonable values for ring resonator and resonance grades

so that the FSR could match the qualification. By varying all of the parameters in the system to

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see its influence on insertion loss, band flatness, FWHW and etc, we fix the optimal parameters

according to the analysis of theory and Matlab results.

We then turn to rsoft simulations. First we calculate the effective refractive index of our ridge

waveguide in 3D-dimensions. Based on this, we find the substitute parameter settings for 2D-

dimensions with the same neff, .The radius of ring resonator and the gap between straight

waveguide and ring resonator ,and between two ring resonators are calculated in order to meet the

optimal result of Matlab. Afterwards, we simulate the structure with single ring resonator in pulse

excitation type to find the resonance frequency ,FSR and FWHW. Finally we simulates the

structure we propose with four ring resonators,(it takes about 10 hours to process a full simulation

in pulse excitation), to demonstrate our predictions based on the results of Matlab . We find it

matches well.

Next we discuss the method to achieve high speed EO modulation, which are divided into

two groups, one is to transform the structure of the device and the other is to transform the signal

added to modulate the device.

Finally, we come to the fabrication. Here we talk about the fabrication methods for different

materials and structures of waveguides, and the technologies for electrode fabrication and different

doping techniques and so on.

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Device Description

我们所设计的滤波器由嵌入于 NPIN 结构的微环谐振器组成，以 SOI 为衬底。微环谐

振器与直波导均由高度为 300nm,宽度 450nm 的硅脊型波导构成。50nm 厚的平板用来

从掺杂区注入载流子。N、P 掺杂区域的掺杂浓度为 10^19cm-3。该结构工作在双电极条

件下。微环谐振器结构提高了微小折射率的灵敏度 [3]，并且提供了大量的跃迁载流子

[4]。制作方法将在下面专门板块具体说明。

NPIN 结构引入的度越时间极短，因为上升和下降时间是由极短的 turn off 时间决定。

因为加正向电压时，对于 NP 结构相当于加反向电压，电子或空穴的抽取很快；加反向电

压时，对于 PIN 结构相当与加反向电压，电子或空穴的抽取很快。实验显示 NPIN 结构的

渡越时间在 25ps 数量级，而一般的 p-i-n 结构在正向偏压是需要大约 1ns 的时间才能达

到稳定状态。可见我们所选取的 NPIN 结构在调制速率方面远远优于 PIN 结构。

下表中详细列出了我们所设计的 4 环串联滤波器的参数设置。

表格 1 参数优化值以及性能描述参数名称 描述/数值波长间隔 0.8 nm

FSR 12.8 nm

波导的有效折射率 2.733945

谐振级数 111

信道数目 16

微环半径 10.057 um

微环个数 4

微环级联方式 串联通带宽度 0.3 nm

半高全宽 FHWH 0.4nm

7

相邻微环间的耦合系数 krr 0.022

直波导与微环的耦合系数 kcr 0.15

直波导与微环的最小间隔 Gap1 208 nm

微环与微环之间的间隔 Gap2 362 nm

不加电压时的谐振波长 1.556 nm

折射率的改变量（改变一通道） 0.0014

谐振峰形状 箱型串扰 很小

插入损耗 <0.1dB

偏振特性 无明显偏振相关性非谐振波长的最小强度 -50dB

微环波导中的模式损耗 aR 0.0001

信道波导中的传输损耗 aL 0.0001

偏振模式的有效折射率（TE/TM） 2.122314/2.122302

Parameters Optimization—Matlab

实现波长范围从 1543.6-1556.4nm 的 16 通道可调谐滤波，通道之间间隔为 100G（0.8nm）

1、耦合模理论

1.1、Device Structure

平行多信道串联多环谐振滤波器

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1.2、Transfer Matrix Method：

对于第 i 个环和第 i+1 个环（包含了当 i=M 时的第M 的微环和 i=M+1 代表的右信道）间的耦合，振幅关系可表达成传递矩阵的形式：

由于上式两式相乘可得

由于

则上述矩阵可写成

令振幅传递公式为

注意初始条件

可得到

9

则由主信道输入端口至输出端口的振幅传递函数 B 及由主信道输入端口至右信道输出端口的振幅传递函数 D 分别为：

则左右信道传输光谱为

可以证明在无损耗的情况下，器件的总输入输出功率守恒，有以下等式：

利用 matlab处理以上传递矩阵组成的函数，可以对参数进行优化和分析，以满足设计器件要求。

2、参数 R 和 m 的确定

2.1、微环谐振方程光在微环中传播时，只有绕微环传输一周时所产生的光程差为波长整数倍的光才能谐

振加强，即满足以下条件：2πR neff=mλ

R= mλ2 π neff

其中 R 为微环半径，neff为微环波导的有效折射率，m 为谐振级数。级次m 是一个重要参量，一旦谐振级数确定，则微环谐振器半径、FSR、色散方程等

都随之确定。

2.2、FSR 相关讨论光谱中相邻两个谐振峰之间的波长差称为 FSR。按照按设计要求，实现波长范围从

1543.6-1556.4nm 相关的 16 通道可调谐滤波，因此当落在 1543.6-1556.4nm 目标范围中的任意波长谐振时相邻谐振峰不能落在目标区域内，否则将会是同时滤去两个波长的光，严重影响输出性能。也就是说

FSR>1556.4−1543.6=12.8nm利用微环谐振方程，对两边求微分：

2πRd neffdλ

∆ λ=m∆ λ+λ ∆m=m∆ λ−λ

10

FSR=λneffm

（neff−λdneffdλ

）

FSR=λneffmng

在理论和 matlab 仿真中，我们做出以下两个假设：1） 微环波导的有效折射率近似与直波导的有效折射率相等，即利用 rsoft 中对 3D 脊型直波

导的有效折射率来代替弯曲波导2） 有效折射率随波长起伏很小，近似为常数

假设的合理性基于以下理由：1）其中微环波导的有效折射率neff无法利用 Rsoft 中的 EIM 方法确定（电场无法分离变量，

有限差分元法计算误差很大）2） 1543.6-1556.4nm 的波长范围变化很小，折射率变化量很小

需要指出的是：1）在 Rsoft 仿真中不存在上述问题，因为 Rsoft 是光学模拟仿真，不同频率分量的折射

率会自动带入运算，微环波导内部的光场模式会动态匹配基模，所以 Rsoft 可能更接近实际器件的性能表现，这也是 matlab 和 Rsoft 计算的数据产生一些偏差的重要原因之一，但是matlab 可以为 Rsoft 提供粗调参数，也能快速直观的分析相关参数的影响。

2）FSR=λm

,加电压调制后，波导折射率下降，λ减小，级次不变，所以 FSR会变小；

但是λ变化范围很小，Δλ ≤12.8nm ,m=111, 所以ΔFSR≤0.12nm，变化很小可以忽略。

2.3、 参数选择分析——Balancing factors

设计 R 和 m 时，需要综合考虑以下几个需要均衡的因素：1） FSR 的均衡：由于半径越小，微环谐振腔的弯曲损耗越大，所以我们希望增大 R，但是

R 越大，级次m 越大，则 FSR减小；FSR必须满足下限，大于 12,8nm2） 损耗均衡：R 越大，光所走的路径越长，传输损耗越大，但是 R 的增大可以减小弯曲损

耗（导模耦合到辐射模）3） 制作工艺：由于微环谐振腔的直径在 um 量级，制作的精度将很大程度限制谐振腔的半

径，一般来说 5um 以下微环半径制作偏差大，10um左右的制作工艺成熟，精度较大

还有一些其他因素将会影响 R 和 m 的选择，留有一定的容差有利于性能的保证，比如FSR最好比 12.8nm 大一些，否则下一级次的谐振峰将会给目标滤波波长范围内最靠近的通道引入串扰等。

2.4、 参数 R 和 m 的初始化与优化根据理论计算，得出大概符合各项标准的微环半径 R 的初始值，取 R=10um，利用

matlab 进行下通道输出光谱的仿真，得到：

11

Figure1 R=10um 下通道输出光谱 落在 1543.6-1556.4nm 范围内的谐振波长为 1.548um，FSR 约为 15nm（符合要求），

大体接近我们需要的目标。在此基础上进行微调优化，优化的条件是：在不加电压时，谐振波长应处于波长最大的通道，随着电压的增加，载流子浓度增大，折射率减小，谐振波长往短波方向移动。

所以我们首先需要让谐振波长移动到 1556.4nm，于是列出方程：

{2π∗10（um）=m∗1.548neff

2 π∗R=m∗1.5564neff

neff=2.733945

解得：

{R=10.054umm=111

根据所得解代入 matlab，再进行仿真：

Figure2 R=10.054um 下通道输出光谱可以看出：谐振波长成功的移动到了 1.556um，FSR=14nm，级次为 111（增大到

112，FSR就很靠近 13nm，为减小可能的串扰，所以认为 m=111已达到最合适的状态），见【】

12

综上所述，综合考虑 FSR 和谐振条件基本要求，结合弯曲损耗和制作工艺，我们选择R=10.05um，此时在 1.5564um处谐振，谐振级次为 111.

3、单环特性分析

3.1、 耦合系数之间的关系

输入直波导与微环之间的耦合系数κCR1、输入直波导与微环之间的耦合系数κCR2之间的 相 对 大 小会影 响 输 出 光谱 [8] 。 当κCR1=κCR 2时 ， 谐 振 波 长 输 出 可 以 达 到最大值（100%）；而当κCR1≠κCR 2时，谐振波长输出小于 100%，且两者差别越大，谐振波长输出越弱，谐振峰展宽，滤波性能下降。因此，要尽量避免非对称耦合。

3.2、 微环弯曲损耗对下信道输出光谱的影响

取耦合系数相等，设定不同弯曲损耗的值，仿真下通道输出通道频谱：

FIG3 不同耦合系数下下通道输出频谱由图可知，随着损耗的增加，谐振处波长的光强明显降低。因此，减小弯曲波导损耗

对于获得高性能微环谐振器至关重要。

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4、串联微环个数的影响

4.1、 对谱线宽度的影响（串扰）

观察区域大于 2 个 FSR 区域内的光谱，取 Kcr 取 0.2，krr 取 0.022，M=1,2,3,4，其他参数不变

Figure4 Kcr=0.2，krr=0.022，M=1,2,3,4 时光谱对于串联环谐振腔，增大串联环的个数，光谱越陡峭，非谐振光也越弱，串扰也较小，

有利于增强滤波的性能，大大减小串扰

4.2、 对通带特性的影响

4.2.1、 通带宽度

将单个谐振波长处放大来观察通带情况：

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Figure5 M=1,2,3,4 时，单个谐振波长处放大情况随着串联环数目的增加，谐振波长处形成箱型谐振，边缘陡峭，通带宽度增加，大大

减小通道间的串扰，如图所示。四环时近似方波，宽度为 0.3nm。

4.2.2、 通带起伏

Figure6 通带起伏与 M 的关系分析：随着串联谐振峰的顶部会变得起伏不平，且具有一定规律：1）当 M 为偶数时，在原中心波长处强度有所明显地下降，这意味着在这种情况下，中

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心波长的信号光的输出将产生一个附加损耗，在附近产生M 个新的谐振波长。2）当 M 为奇数时，除原中心波长处仍然是谐振波长，还在附近产生了 M-1 个新的谐振

波长。导致起伏变大，边缘更陡峭。翻阅资料，找到对此规律的验证：中心波长不再是谐振波长，而是在中心波长的两侧

出现两个新的谐振波长，中心波长的输出强度反而有所减小，这种“马鞍”形状的输出曲线是串联双环谐振器的一种典型的输出光谱，它可以使谐振峰明显变宽变抖，并使带宽变得平坦。

可以说 M 越大起伏越大，通带宽度越大，非谐振波被严重抑制，可见串联环的个数也是一个需要 balancing 的均衡考虑因素。

综上所述，依照通道间隔与性能要求，需要合理选择串联环的个数。我们选择串联环的个数为 4，此时不仅箱型谐振峰平坦、陡峭，而且非谐振光很弱。通过输出 matlab 的图形数据，可得M 为 4 的时候其通带宽度约为 0.3nm，可以满足 0.8nm 的宽度而不增加串扰的要求。

5、串联 4 环结构的参数优化

5.1、 κCR对串联多环右信道输出光光谱的影响

取所有串联环的半径相等，谐振腔与谐振腔之间的耦合系数相等为κRR，信道与微环间的制度耦合比相等κCR，其他参数如下：

Table2 串联 4 环参数表串联环半径 R/μm 10

串联环个数 m 4

微环波导中的模式损耗系数¿ μm−1 0

信道波导中的模式损耗系数¿ μm−1 0

微环与微环之间的耦合系数κRR 0.022

波导的有效折射率 2.764671

直波导长度μm 120

功率传播损耗系数 dBμm−1 0.025

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Figure7 不同 kcr 情况下光谱图

Figure8 不同 kcr 情况下通带图可以看出，随着 kcr 的增大时，非谐振光增强（光谱变宽），如果 kcr 很小，虽然非谐

振光较弱，但是谐振峰明显变得更加不平坦，起伏较大，这将影响滤波器的性能。但是当kcr较大（0.3）时，谐振峰虽然相对来说起伏较小，但是查阅资料可知，0.3 的耦合系数要求信道与微环之间的距离很近，对制作工艺的要求过高。所以 kcr 的范围一般区在 0.1-0.2之间。

所以，kcr也是一个 balancing factor：振幅耦合系数κCR越大，谐振峰变得越宽，非谐振信号的强度就变得越大，器件的滤波性能就越差，因此谐振峰不能过宽。但是谐振峰也不能过窄，否则器件因材料、工艺和温度变化等原因引起谐振漂移时，器件将不能很好的滤波。综合上述考虑，我们选择 kcr=0.15.

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5.2、相邻微环之间的振幅耦合系数 krr 的影响

Kcr 取 0.2，其他参数均与上同。Krr 在 0.012至 0.032 等间隔扫描，得到如下图：

Figure9 Kcr 取 0.2,Krr 在 0.012 至 0.032 等间隔扫描输出光谱图

Figure10 不同 krr 情况下的通带图分析：从图中可以看出，当相邻微环间的振幅耦合系数 krr增大时，非谐振光变强。Krr 同样是一个需要均衡考虑的参数。如果 krr 偏小，虽然非谐振光变弱，但谐振峰较

窄，且插入损耗也较大。如果 krr 偏大，相邻信道串扰较大，谐振峰的起伏也较大。综合考虑，krr 选择 0.022.

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6、模拟微环谐振腔的 16 通道滤波特性

根据上述参数设置，我们得到最终我们所设计的串联 4 微环滤波器改变折射率情况下对于 16 通道的滤波情况：

Figure 11 L 串联 4 微环滤波光谱 1

Figure12 串联 4 微环滤波光谱 2

7、插入损耗的计算

器件的插入损耗主要是由波导中模式的传输损耗和弯曲损耗而引起的，每个信道的插入损耗定义为：

L(i ) ( λ ) (dB )=−10∗log10 (|Di ( λ )|2 )(i=1,2 ,……，N )

利用 matlab编程输出各谐波的传输比，origin曲线得到：

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Figure13 各通道插入损耗由于设置中功率损耗、弯曲损耗和传输损耗系数都为 0，所以插入损耗都小于 0.1dB：

这里由于各个耦合系数，级次，串联四环结构都是经过 matlab 和 rsoft 优化的值，所以得到了很小插入损耗，这里的 Insertion Loss 主要来自于耦合系数之间的轻微偏差。

8、输出信道之间的串扰

输出串扰主要是由于当滤波时除了滤去了中心谐振波长外，还对其他 15 个通道有一定的滤波，从这个角度上说，串扰和 FWHW 是一对相互制约相互的因素，只能不断的结合实际工艺和损耗，来求得最好的均衡（各种均衡因素已经在各项参数分析中都有涉及）。

9、偏振特性的研究

TE mode 的有效折射率为 2.122314TM mode 的有效折射率为 2.122302仿真后某谐振波长附近的频谱，二者相差小于 0.01nm，几乎不影响其滤波性能。所以

该微环谐振器的滤波特性无偏振选择性。

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FIG14TE mode 与 TM mode 谐振频谱比较

RSOFT Simulation——Fullwave

setting parameters for four-cascade-ring-resonator-filter and simulating its output spectrum

1、确定 3D 折射率

1.1 我们设计的波导采用 Rib/Ridge structure type，设计参数取自[3]

FIG1 cross-section of ring resonator embedded in NPIN junction

21

1.2、仿真参数设置如下：

FIG2 GLOBAL SETTTINGS

1.3、 index profile:

FIG3 index profile of ridge waveguide

1.4 、Compute the effective refractive index:

这里，因为 rsoft 中 global setting 参数当中没有限制 slab layer 在 x 方向的长度。所以我

们在计算有效折射率 x 方向的范围时，设置 domain max=0.525um, domain min=-0,525um

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FIG4 cross-section of ring resonator embedded in NPIN junction

FIG5 Simulating parameter of computing fundamental mode

the result of effective refractive index: we find neff=2.733945

FIG6 transverse mode profile of ridge waveguide

2、2D 替代结构参数设置

因为用 3D 结构仿真非常耗时，所以我们转而采用一种替代方法。

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FIG7 2D-waveguide index profile

我们变化芯层的折射率，调整到某个值使得此时波导的有效折射率与我们上面计算得到的三维折射率相等。 当芯层折射率为 2.98663 时，我们找到了想要结果。

FIG8 2D global settings for the substitution waveguide

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FIG9 effective refractive index of substitution waveguide when the core’s index is 2.98663

3、确定 ring resonator 半径 R

从 理 论 分 析 及 Matlab 的 仿 真 结 果 出发， 我 们 确 定 R=10.057um 。 详 细 分 析 见parameters optimization。

4 、 Fix the gap between straight waveguide and ring

resonator

我 们 在 straight waveguide 的 输 出端和 half-ring resonator 的末端分别放置 两 个 time

monitor，监测光强。

我们在此做了两个假设：

1）忽略光在 ring resonator 中传输过程中由于波导弯曲造成的损失。从理论上来讲，

ring resonator 的 time monitor 应该紧贴耦合区附近放置，但是这就需要计算圆上点的坐标

以及切线倾斜角（也就是 time monitor 的探测方向），比较复杂，所以我们在这里进行了

简单处理；而且从仿真图上看这部分损失确实可以忽略。

2）在此我们假设在 1543.6~1556.4nm 范围内，耦合系数 κ 不变。

我们设定 R=10.057um。在此基础上扫描 gap ,以达到理论仿真结果要求 κ=0.15.

参数设置如下：

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FIG10 Set GAP as scanning parameter

扫描结果如下:

FIG11 The relationship between GAP andκ2

所以我们确定 gap=0.208um。

5、Fix the gap between the ring resonators

我们分别在两段半圆波导上进光口与出光口放置 time monitor，计算耦合功率比。同样，

在这里忽略光在圆弧波导中传播产生的损失。

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FIG12 The structure of two coupled half rings

在此基础上扫描 GAP，方法同 4，理论仿真结果要求 κ=0.022.

扫描结果：

FIG13 The relationship between output monitor value and GAP

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FIG14 The relationship between input monitor value and GAP

固定 GAP值， ,

所以取 GAP = 0.362um，此时 =4.9*10e-4，非常接近理论要求 =4.84*10e-4

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6、单环仿真

6.1、 Drawing the structure of single ring resonator filter

FIG15 The structure of single ring resonator filterR=10.057um

6.2 、Fix the resonating frequency

因为 pulsed excitation 频谱包含了所有波长，所以我们得到上图情况下的谐振波长值和FSR。

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FIG16 The wavelength spectrum of pulsed excitation

FIG17 Spectrum of higher resolution

R=10.057nm 时，1543.6~1556.4nm 间的谐振波长λ=1549.5nm FSR=1562.1-1548.6=13.5nm >1556.4-1549.6=12.8nm

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FIG18 power intensity at the through end and the output end

蓝线半高全宽：1.5499-1.5492=0.7nm

7、四环仿真

7.1 、 drawing the structure of four cascade ring resonator

filter

FIG17 The structure of four cascade ring resonator filter

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7.2 、pulsed excitation for the four cascade ring resonator filter

FIG18 Spectrum for the four cascade ring resonator filterBlue line------------------the output light intensity of the input waveguideGreen line----------------the output light intensity of the output waveguideRed line-------------------the light intensity of the first ring resonator Light Blue line------------ the light intensity of the second ring resonatorPurple line---------------- the light intensity of the third ring resonatorBrown line---------------- the light intensity of the fourth ring resonator

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FIG19 spectrum of higher resolution

从图中我们可以看出，随着 ring resonator 的级数增大，ring resonator 中光强光谱的越

陡峭，消光比越好。

由于我们的 R值设置的比较大，运行一次四环串联的 pulsed excitation 需要大概 10 个

小时。我们运行了 7 个小时后，光还没有达到 output waveguide 的 final output monitor端，

所以 final output monitor 的示数为 0. 但是，根据波导理论，最后一个 ring resonator 与输出

直波导间的光场满足关系： ，也就是 与 只差一个系

数。

所以我们可以通过最后一个 ring resonator 的通带宽度，可以估算 final output 的通带宽度。

四环仿真结果显示：谐振峰值：1553.7，通带平坦：155.4-1553.6 =0.4nm!

比较四环串联仿真结果与单环仿真结果，可以看出通带明显比单环平坦，且半宽值近

似为单环仿真结果的一半，串扰较小，与理论分析及 Matlab 仿真结果吻合。

33

FIG20 Compare the spectrum of four-cascade-ring-resonator-filterand that of single-ring-resonator-filter at some resonance frequency

34

8、 关于两种激励方式的思考

在仿真过程中我们讨论最多的就是 pulsed excitation 和 CW excitation 的区别及内部算法。1）根据单环谐振腔的光波导模式理论，

满足方程：

对于谐振波长，U=0， ，这是稳态解。

2）我们在进行单环 CW excitation 时，除去 through 端与 drop 端设置了 time monitor,在ring 中我们也同样放置了一个 monitor，检测环中能量的变化。仿真结果如下：

35

从中我们可以观察到对应谐振波长逐步达到滤波稳定状态的瞬态过程，就是 ring

resonator 不断从输入波导中吸收能量，最终达到 时实现能量搬运的功能，就是

输入波导中的光全部耦合入到 ring resonator 中，又全部耦合出到输出波导当中。我们最初认为，pulsed excitation 只是在有限时间内输出光，从仿真图来看，由于我们

ring resonator 的半径较大，其脉冲长度还不足以维持到第一次耦合进 ring resonator 的光走

完一个圆周，所以无法完成 ring 中的能量积累，所以我们最初判断用 pulsed excitation 是不

能进行滤波器耦合仿真的。但是微环谐振器的谐振波长与耦合无关，所以我们仍然可以用

pulsed excitation 实现谐振频率的确定。

当我们通过 pulsed excitation得到谐振频谱图后，用介于 1543.6~1556.4nm 之间的谐振

波长进行 CW excitation，得到的输出结果与 pulsed excitation 在相同扫描时间下得到的透过

率相同。这令我们非常奇怪。根据上面的分析，pulsed excitation 是无法实现滤波耦合扫描

的。难道只是巧合？

我们进一步研究发现，rsoft 指导书上说明：

A Pulse excitation is normally used when the frequency response of the design is desired. It

consists of a Gaussian envelope function multiplying a sinusoidal carrier. This can be expressed as

where the wavelength λ is set by the Wavelength field. The Gaussian envelope function is

36

defined such that τ is the pulse time in units of cT set in the Ramp/Pulse Time field, and t is the

Delay Time in units of τ, and therefore unitless.

也就是说，A pulsed calculation 相当于对所有波长进行 CW excitation.这就解释了为什么

在同样的扫描时间下，pulsed excitation 和 CW excitation 对于相同的λ得到相同的透过率结

果。

所以，我们最终的结论是用 pulsed excitation 进行滤波扫描是合理的。

此外，我们还注意到若要达到稳定过程，要满足 ，而这个时间远远超过了我

们所能承受的仿真时间，所以这样看来 stop time 在 2^19 数量级扫描时间下谐振点的透过

率并不是 1 的原因可能是仿真时间不够长，滤波器还没达到稳定状态。

当然，这里不要误解在实际当中微环谐振器需要很长时间才能达到稳定滤波状态，一

般的 ring resonator 调制器响应时间¿10ns，但是即使这样段的瞬态至稳态的过渡时间有，

cT接近3000000，stop time 数量级大约为 2^24，因为 rsoft 软件为 8bit 处理运算，速度非

常慢，恐怕要扫描出稳态结果（即输入光全部从 output 直波导中输出）要几天时间了！

EO Modulation —— Ring Resonator of

Ultra fast Response

高速电光调制的实现方法：

全硅电光调制器件是集成光路和光网络中的重要器件，这类器件最重要的指标就是响

应速度以保证高速调制，但是主要基于载流子扩散和复合的电光调制机制，导致响应速度

受到载流子复合寿命、扩散速度以及光子寿命等诸多限制。

提高响应速度的方法主要有两种：1）改变器件的结构（调制机理）；2）采用外部改

进的方式，比如采用更好的编码机制或者采用预放大电路

37

1、器件结构：主要分为三种机制

1．1、基于 PIN 的载流子注入以及 NPIN 型的改进

Nature 论文上提出的 electro-optic modulator 利用嵌入环形谐振器的 p-i-n 结

构载流子的注入实现波导折射率的改变，从而实现不同波长的滤波。调制器的 p-i-n 结构

对于实现高调制深度非常重要，但是通常 p-i-n 结构的调至速率低于 MOS 器件。对于 p-i-

n 器件，加反向偏压时电子及空穴的抽取可以很快，小于几十 ps,但是加正向偏压时载流子

的注入相对而言比较慢，从而限制了上升时间在 10ns 数量级。

Nature 中提到的结构如下图所示：

该调制器的调制速度受到谐振环没

有 完整的形成 p-i-n 结构的影响。在

正 向偏压时期，电子和空穴将会扩散

到 没有形成 p-i-n 结构的区域，这部

分 扩散的电子及空穴在加反向偏压时

将 不能被有效地被反向偏压抽取，从

而 导致正向电压调制周期过后，下降

时 间（fall time）将会延时。这个延

时 大小由非 p-i-n 区域的电子及空穴

的 生存时间决定。

这次大作业中我们对于 Nature 论文中提到的结构进行了改进，用 NPIN 型结构代替

原来的 PIN 结构。这项改进由 Qianfan Xu【】小组在 2007年提出。在器件描述中已经

介绍，在此就不做过多的描述。

38

1．2、基于 PN 结或者肖特基势垒反型层的快速响应

基于反型层原理的金半接触可以大大提高器件的响应速度，它突破了调制带宽受到载

流子在结区扩散时间和复合寿命的限制，使得最低响应速度取决于谐振金属腔光子寿命。

它的基本原理是轻掺杂 p 型半导体在与金属接触的表面上形成电子势阱，积累了大量电子

位于接触表面的能级，加上金属不存在载流子扩散的问题，载流子在金属中的运动是自由

的，所以不会产生由于扩散造成的延时， 当 on-off states 中彼此切换时，载流子都被迅

速的被扫入和扫出反向层内，响应速度大大加快。其中最内部为众参杂的 p 型半导体，用

于形成欧姆接触，减小器件的内部阻抗。此外，肖特基势垒的优点还有制作简单，非常低

的寄生阻抗，低功耗和基于高密度集成的特点。

但是利用肖特基势垒调制的缺点是调制深度很窄，这就是为什么肖特基势垒放置于靠

近微环谐振器的一侧而不能放置在环内部区域的原因。

调制速度的仿真图：【】

39

1．3、基于 MOS 结构的电光调制

MOS管进行电光调制的原理也包含反型层的建立。在栅极电压作用下，栅极的 p 区与

半导体接触的区域形成反型的 n 区，从而实现了在横向上 n 区级联的结构，电子大量聚集

在这一层，使得对横向源级电压敏感，即响应迅速。虽然MOS管也是基于载流子在电场

下的漂移，所以响应外界电压的速度不可避免的受到载流子复合和扩散速度的影响。但是

由于栅极使得载流子在电流传导层大量的聚集，避免了慢速载流子复合和产生的过程，从

而提高了调制频率。

调制仿真图如下[]：

40

2、外部补偿改进：

2．1、采用不同的编码方式（nature）

相对于非归零码，归零码的正向偏置时间较短，所以正向偏置时引起的扩散至非 p-i-

n 区域的电子和空穴的数目较少，这使得器件可以工作在较高的调至速率下，尽管归零码通常情况下是非归零码带宽的两倍。下图是不同电驱动信号下透过的光信号。

a, Waveform of the 32-bit pseudo-random non-RZ signal at 0.4 Gbit s21

applied on the modulator.

b, Waveform of the output optical power of the modulator with non-RZ

modulation, normalized to the output power when the ring resonator is

completely out of resonance.

c, Waveform of the 127-bit pseudo-random bit sequence RZ signal at 1.5 Gbit

s21 applied on the modulator with a microwave amplifier.

d, Waveform of the normalized output optical power of the modulator with RZ

modulation

2．2、驱动前置放大（Pre-Emphasis driving method）

Pre-Emphasis driving method 可以用来打破 lifetime 对于 p-i-n 结构调制速率的限

制。前置放大信号通过在信号的上升沿后加上 25ps 的脉冲波获得。

41

这样的 pre-Emphasis 信号可以实现 1）在状态转换时期载流子的急速注入，2）通过

提供一个稳定电流来弥补载流子的复合，使得电流大于阈值电流保持 on state.急速载流

子注入通过上升沿

Fabrication

对于光波导集成器件而言，工艺误差将导致器件性能偏离理论设计值。工艺水平的高低直接影响器件的性能，因此工艺研究至关重要。对于不同结构与材料的波导，工艺过程

42

不尽相同。

Figure 1 我们组设计微环谐振器的平面图

1、波导及掺杂区制作概述

Figure 2 为我们设计的脊型波导的截面图。它由一个 70nm 厚的 Si 平板及其上面的带状波导组成。因为平板的厚度相对传播的波长（传输波长为 1.55um）来说非常小，波导中的模式和硅的带状波带非常接近。通过离子注入的方式，在环的周围形成高掺杂的 p 区和 n 区。金属触点沉积在掺杂区域。为了使吸收损害最小，掺杂区域离微环谐振腔大约 1um，从而确保掺杂区域内交叠的谐振模式最小。

Figure 2 figure 3

我们在 SOI 衬底上使用智能剥离技术 (smart-cut)，在衬底上形成 0.29um 高的硅波导层。Smart-Cut 是一种建立在硅片低温直接键合与离子注入基础上的 SOI材料制备技术。为了尽量减少吸收损失，掺杂区域与微环谐振器空留 50nm距离，确保了掺杂区域与谐振模式的重叠最小。等离子体刻蚀（reactive ion plasma etching）生成波导层（p-i-n 微环谐振腔）：（1）进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来；（2）采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗；（3）去掉光刻胶，采用 FHD 或者 CVD 工艺，在波导芯层上再覆盖一层 SiO2；（4）通过退火硬化工艺，使上包层 SiO2 变得致密均匀，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确，以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导的双折

43

射效应。

Figure4 基于 SOI 的硅基波导工艺流程示意图

采用 Cl2 为工作气体，射频源耦合等离子 （ICP-PIE刻蚀系统），部分蚀刻硅层，留下了50nm slab。另一个光刻步骤用来制作调制区域，继续使用 CF4 等离子体刻蚀硅，在调制区留下约 50nm slab，形成 PIN 结构，如下图所示：

Figure5 调制区示意图

直波导的尺寸为 450nm 宽，220nm 高; 谐振腔波导宽度为 0.45um ，外脊高为 0.07um ，内脊高为 0.22um ，环的直径为 10.15nm ，直波导和微环间距 208nm ，圆环与圆环间距362nm。为了保证高的耦合效率，我们在波导的末端加入了 nanotaper。刻蚀之后，再通过:基片表面处理、匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等光刻工艺和离子注入 Phosphorous 和 BF2

来形成 N 区和 P 区,载流子浓度为 1019 cm -3。接下来，通过 PECVD 工艺，在调制区表面沉积一层 120nm 厚的 SiO2层；掺杂物质，p 区，在微环外部，掺杂 BF2 在 45 KeV 下，剂量为

44

3E15，在 n 区，掺杂 Phosphorous，在 33 KeV 下剂量为 2E15，达到激活掺杂物质的目的。

figure 6 SEM 图像

2、电极制作概述

在掺杂区表面采用离子注入法镀上 15nm 厚的硅化镍薄膜。实验证明，硅化镍薄膜可以提高欧姆接触，降低电阻率，增强电极的热稳定性、化学稳定性。使用离子注入法得到的硅化镍样品，其 Si Ni∶ 的成分比为 2.05 1∶ 时，可以得到含量最大的 NiSi ２ 。硅化镍中的 NiSi ２相不仅具有与硅相似的 CaF ２结构，而且有着与硅良好的晶格匹配（0.4％）和出色的热稳定性，而且采用离子注入这种非平衡成膜过程，可以在较低温度（523K）下直接得到硅化镍的高温相。通过光刻技术，将图案刻蚀到掺杂区域，经过：基片表面处理、匀胶、前烘、曝光、显影后烘、金属溅射，最后通过金属掩膜的剥离技术，形成电极。采用 FHD 或者 CVD 工艺，在电极再覆盖一层 SiO2 与基体形成很好的绝缘，通过退火硬化工艺，使上包层 SiO2 变得致密均匀。

样本经过切块和抛光便于光电性能测试。

Figure7 电极示意简图

45

具体步骤及方法在后文中叙述，下图为流程图：

Figure8 剥离技术流程简图

3、工艺方法

3.1、波导层制作

波导层及掩膜制作主要由波导层及掩膜生长和波导层及掩膜刻蚀两部分组成。

波导层及掩膜生长采用智能剥离技术制备。

智能剥离技术制备 SOI，是一种建立在硅片低温直接键合与离子注入基础上的 SOI材

料制备技术。智能剥离技术经济、省时、与现有的微电子工艺兼容、可大幅度降低成本，

且生成的顶层单晶硅薄膜质量更好。

硅片直接键合的工艺过程如图 1 所示，当两片经化学机械抛光(CMP)处理和常规清洗、

平整度在一定范围内的硅片通过氧等离子体活化处理 n1 和亲水性处理后，在室温或低

温(小于 150℃)环境下使它们接近，它们之间将依靠范德瓦耳斯力粘结在一起，完成

预键合．

Figure 9

利用 CMP 方法处理硅片的表面是为了降低两硅片表面的微粗糙度，使其表面平整度达到硅片直接键合的基本要求，即亲水硅片表面的平均微粗糙度须小于 0．5nm。在预键合前，对硅片进行氧等离子活化处理可以提高硅片界面能(一般可提高 6—10倍)，其本质是用氧等离子体通过化学或物理作用对硅片表面进行处理，实现分子级的沾污去除以提高其表面

46

的活性，增大硅片表面的悬挂键数量，使硅片表面被激活，这也是能够通过低温处理达到硅片键合强度要求的主要原因．干净的硅片表面是疏水性的，硅片通过表面亲水性处理后在其表面将形成一层非定形的 SiOx 表面过渡层，每个硅原子上有 0．7 到 3 个氧原子，其表 面 因 化学极 性 的 作 用 而存在非桥键的羟基 (一 OH)，即硅醇，其结 构 为 Si—O—

Si+Si(OH)，该结构易于物理吸附水形成氢键，此时硅片表面就成为亲水性，可以吸附水膜．亲水性处理后的洁净硅片在预键合时，键合界面发生如下反应：Si—OH+Si=0H—Si—O—Si+H20， (1)

Si+2H20=Si02+2H2． (2)

最后，再经过低温(500--600。C)热处理，使键合界面进一步发生化学反应，以增强键合界面的键合强度(键合强度应不小于 150 kg／cm2），这一工艺过程称为硅片低温直接键合。

智能剥离技术主要包括以下几个步骤：氧化及离子注入、硅片低温直接键合、低温处

理(剥离)，其工艺流程如图 9 所示．

首先将一定剂量的 H+注入到覆盖有氧化层的硅片 A 中，于是在氢离子的射程附近就

形成了一个由许多气泡组成的局域性很强的微空腔层，在室温下将其与另一硅片 B键

合在一起，然后进行热处理，在此过程中，气泡内压强随退火温度的升高而增大，同

时，硅中的氢向注入峰值附近扩散，并聚集形成充满氢气的微泡，使气泡数量增多，

达到一定温度(500°C左右)时，气泡内气体热膨胀产生足够的压力，使得键合在曰片

上的 Si02 和 Si薄膜与 A片的基体分离，即在硅片 B 上形成 S0I 结构。为了加强键合

强度，可进行第二道高温热处理，最后对基片抛光，以提高表面平整度。

运用该技术可以制备任意厚度的薄膜，并且在均匀性、表面平整度、表面缺陷等指标

上均比 PECVD 工艺好。

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Figure10 智能剥离技术原理

3.2、波导层及掩膜刻蚀

为了能够得到更好的刻蚀结果，通常需要对等离子体的密度和离子轰击的能量分别进行控制和优化。电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma)是目前较为普遍采用的一种射频源耦合方式，它能够产生高密度、低气压和低离子能量的等离子体。下图给出了本文所采用的 ICP-PIE刻蚀系统的腔体内部构造示意图。

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Figure11 ICP-PIE刻蚀系统的腔体内部构造

从图中可以看出，一个高频射频源通过电感耦合的方式，耦合到上电极中 (Coil Power)，提供产生等离子体的能量。同时，另一个高频射频源耦合到下电极上(Platen Power)，提供离子轰击所需的能量。两者可以分开控制。硅片的背面通过 He气流来进行冷却，防止硅片表面过热。

3.3、 SiO2 包覆层掩膜制作

SiO2包覆层制作主要由薄膜生长和刻蚀两部分组成。

3.3.1、薄膜生长

包层为 SiO2材料。目前生长 SiO2薄膜的主流技术有两种，如图 10 所示。一种为火焰水解沉积法（FHD），日本很多研究机构（如 NTT）采用这种工艺。另一种是 PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法），这种工艺被很多欧美实验室采用。

49

Figure 12

PECVD 可以比较方便的调节膜层的厚度，甚至在一定范围内调节折射率。由于等离子体放电能够打破反应气体的分子，增加反应活性，因而可以在较低的温度下完成反应过程。低温反应过程具有许多好处，比如可以方便集成一些对温度较为敏感的元件，可以防止在过高温度下一些元素(如金属电极)的扩散，同时也有利于降低薄膜内部由于热膨胀形成的应力。通常的化学沉积法(CVD)可以概括为以下几个步骤：（1）反应气体被输送到腔体内反应区域（2）发生气相反应，产生或分解出成膜反应所需反应物（3）反应物被吸附在高温衬底的表面（4）吸附反应物与衬底表面分子间发生化学反应生成所需薄膜分子以及气相副产物（5）表面生成薄膜分子扩散，聚集成膜（6）气态副产品被释放，并进入腔体从而被排气系统排出具体装置如图 Figure42 所示，反应气体由共同的气路混合之后，经由腔体顶部的“喷头”均匀扩散进整个腔体，并被预加热。射频源(高频 13.56MHz，低频 380kHz)通过匹配电容耦合进入上下电极之间。在两电极之间的电子被射频产生的电场加速后，与气体分子发生碰撞，形成活性反应物。这些反应物被衬底吸收之后，发生化学反应生产所需薄膜，并释放出气相副产品由真空泵带走。生成 SiO2 以及 Si 的化学反应如下所示：

50

Figure13 PECVD

本作业中推荐使用 PECVD技术，反应气体为用氩气稀释的 SiH4 及 N2O气体，反应温度<350℃。薄膜的厚度可以利用棱镜耦合仪采用两种波长（632.8nm/1547nm）测量，更直观的方法是利用电子显微镜从基片截面观察膜层厚度。

3.3.2、刻蚀

通常刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法刻蚀是化学溶液与被刻蚀材料进行化学反应而去除被刻物质的方法。湿法刻蚀的特点是各向同性，会有侧向腐蚀而产生底切现象从而导致线宽失真，因此不适合非常精细的图形。干法刻蚀是利用辉光放电的方式产生包含有正、负离子、电子、高度化学活性的中性原子及自由基在内的等离子体，由此去除衬底材料上需刻蚀的部分。常用的干法刻蚀包括 RIE（反应离子刻蚀）和 ICP（感应耦合等离子体刻蚀）。本项目中设计的刻蚀深度很浅，用 RIE 法刻蚀 为宜。为了能够得到更好的刻蚀结果，通常需要对等离子体的密度和离子轰击的能量分别进行控制和优化。电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma)是目前较为普遍采用的一种射频源耦合方式，它能够产生高密度、低气压和低离子能量的等离子体。下图给出了本文所采用的 ICP-PIE刻蚀系统的腔体内部构造示意图。

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Figure 14 ICP-PIE刻蚀系统的腔体内部构造

从图中可以看出，一个高频(13．56MHz)射频源通过电感祸合的方式，耦合到上电极中(Coil Power)，提供产生等离子体的能量。同时，另一个高频射频源耦合到下电极上 (Platen Power)，提供离子轰击所需的能量。两者可以分开控制。硅片的背面通过 He气流来进行冷却，防止硅片表面过热。

3.4、光刻

一 般 的 光刻流 程包括前处理 、匀胶、前烘、 对准曝光 、 显 影 、后烘。 选 用 光刻胶AZ5214E。它是一种能实现图像反转的正性光刻胶，既能用于正性工艺，也能用于有反转烘烤的负性工艺。它热稳定性比较好，能满足亚微米图形要求。通过制作出相应的掩模板，可以利用 AZ5214E 的正性工艺。其工艺流程具体为：

（1） 基片表面处理：对于一片新的硅片基底来说，为了增大胶的粘附力，硅片要经过热处理以去除湿气，而这点对于 AZ5214E 光刻胶尤其重要，否则显影时很容易造成脱胶现象。考虑到实验安全性，不采用有剧毒的 HMDS试剂（粘附增强剂），而是采用简单的高温处理以及氢氟酸浸泡去除亲水的二氧化硅膜。

（2） 匀胶：光刻胶厚度和匀胶时的转速有关。转速越快，光刻胶越薄；反之越厚。一般光刻胶厚度为 1.0~1.5μm，相应的转速为 4000~6000rpm。考虑曝光的波长和功率，我们选择的匀胶条件为：转速 2000rpm/时间 3s，把胶在片子上铺展开；转速 6000rpm/时间29s，把胶均匀地涂在片子上，形成 1.5um左右厚的胶层。

（3） 前烘：前烘比较重要，对显影会造成一定影响，其作用是增加胶的粘附力、去除残余溶剂等。前烘的典型条件：热板温度 90°C/时间 10min。

（4） 曝光：曝光时间主要决定于曝光光源的强度（mW/cm2）以及光刻胶所需的辐射能量密度（mJ/cm2）。除此之外，膜厚也是一个非常重要的因素。经过长时间实验、逐一

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参数进行调整，得到了目前效果比较良好的曝光参数：光强 19mW/cm2，曝光时间 6s，曝光模式为接触式曝光。实验装置如图所示：

Figure 15 三种接触方式

（5） 显影：对显影而言，温度和前烘尤为重要。前烘不够则不易控制，易造成脱胶；反之，很难显影干净。AZ300MIF 型号显影液，要求环境温度基本控制在 23°C，显影时间控制在 30秒左右，具体时间根据光刻胶溶解的情况而定。显影后马上用去离子水冲洗，并吹干。

（6） 后烘：用于挥发光刻胶中的溶剂使得光刻胶固化硬化，参数为 120℃，2 分钟。至此，光刻胶图形已经完成。

3.5、离子注入制备硅化镍薄膜

金属硅化物具有低电阻率、良好的热稳定性和化学稳定性以及与现代硅工艺的兼容性，可以应用于集成电路和微电子工业上的金属接触、互连、肖特基接触以及新器件的研制。目前已有多种方法制备金属硅化物薄膜，包括固相反应、离子束混合、分子束外延和高能离子注入等。在掺杂区表面镀上 15nm 厚的硅化镍薄膜，提高欧姆接触，降低电阻率 增强热稳定性、化学稳定性。当离子注入得到的硅化镍样品，其 Si Ni∶ 的成分比为 2.05 1∶ 时，可以得到含量最大的 NiSi ２，硅化镍中的 NiSi２相不仅具有与硅相似的 CaF ２结构，而且有着与硅良好的晶格匹配（0.4％）和出色的热稳定性，而且采用离子注入这种非平衡成膜过程，可以在较低温度（523K）下直接得到硅化镍的高温相。在离子注入制备硅化镍薄膜过程中，将金属蒸发真空弧（MEVVA）产生的宽束、大束流密度的离子注入到 Si（1 0 0）衬底中，从而直接形成硅化镍薄膜。本实验中加速电压、离子流密度和离子剂量分别为 65kV，13μA／cm ２ 和2×1017 cm-2 。由于 MEVVA源中金属离子的多电荷态效应，当前研究中 Ni离子的平均注入能量是 117keV．离子注入过程中，靶室真空度为 8×10-4Pa．衬底温度由离子束的自加热效应(离子流密度)决定，本实验中衬底温度为 523K。硅化镍薄膜的制备条件及表征结果

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Figure 16 硅化镍薄膜的制备条件及表征结果

3.6、 P N 掺杂：

本组通过光刻技术生成 p-i-n 结的具体结构，然后再通过注入 P元素和 B元素来形成 N 区和P 区。掺杂工艺主要分为离子注入和热扩散两种。本组选用离子注入的方式进行掺杂，原因是，与热扩散掺杂相比,离子注入掺杂的优点是:①离子注入可通过调节注入离子的能量和数量，精确控制掺杂的深度和浓度。特别是，当需要浅 PN 结和特殊形状的杂质浓度分布时，离子注入掺杂可保证其精确度和重复性。②离子注入的杂质分布准直性好(即横向扩展小)，有利于获得精确的浅条掺杂，可提高电路的集成度和成品率。③离子注入可实现大面积均匀掺杂并有高的浓度。④离子注入不受化学结合力、扩散系数和固溶度等的限制，能在任意所需的温度下进行掺杂。⑤离子注入可达到高纯度掺杂的要求，避免有害物质进入半导体材料，因而可以提高半导体器件的性能。离子注入的原理是将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的工艺。在半导体中注入相应的杂质原子(如在硅中注入硼、磷或砷等)，可改变其表面电导率或形成 PN 结。 　　离子注入需要有适用的离子注入设备。半导体掺杂用离子注入机的能量范围为 20～400千电子伏。硼离子注入硅的注入深度一般在 1 微米以下,束流强度为几十至几百微安。离子注入机有先分析后加速和先加速后分析两种型式。在先分析后加速的结构中，离子源和磁分析器（分析磁铁）处于高电位,靶室处于地电位（图 1）。离子源是离子注入机最重要的部件之一。微电子技术中常用的离子源电离物质为三氟化硼、磷烷和砷烷等。一般情况下，离子源提供的是单电荷离子。磁分析器起着提纯的作用,能将不需要的离子偏离掉,而只让所需的离子通过，经加速扫描后达到注入靶上。为了减小束流的传输损失，离子注入机通常采用单透镜和四极透镜进行离子束聚焦。此外，离子注入机尚需清洁的真空条件（无油污,整机真空度为 1×10-4帕,靶室真空度为 10-5帕）以及可靠而稳定的电源和控制系统等。结构示意图如图所示：

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Figure 17 离子注入机框图

3.7、电极制作

电极制作工艺与上文所述的光刻工艺相似，利用 AZ5214E 光刻胶的反转特性：AZ5214E 在曝光过程中会在曝光区域，消耗光敏剂的同时产生一种催化剂；此时，若进行烘烤，这种催化剂能促使胶产生一 34 / 44 种不溶于显影液的交联聚合物；然后再次曝光，可使第一次曝光时被掩盖区域的光刻胶溶于显影液，由此形成图形，并能形成倒屋脊形状，有利于后面的剥离工艺（Lift-Off）。 （1） 基片表面处理 （2） 匀胶：转速 2000rpm/时间 3s，转速 6000rpm/时间 29。 （3） 前烘：热板温度 90°C/时间 10min。 （4） 曝光：光强 19 mW/cm2，曝光时间 6s，曝光模式为接触式曝光。 （5） 后烘：热板温度 120°C/时间 2min。 （6） 曝光（空曝）：不放置掩模板，进行空曝。曝光参数：光强 19 mW/cm2，曝光时间6s，曝光模式为接触式曝光。 （7） 显影 至此为止，完成了电极图形的制作，接下来需要进行金属溅射和金属剥离。 （8） 金属溅射：（9） 金属剥离：利用丙酮溶液去除剩余的光刻胶以及光刻胶上面的金属，起到金属剥离的作用，由此完成电极的制作。

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Figure 18剥离工艺详细流程

Pending Problems

1、我们在做大作业的过程中总是被这样的一个问题困扰： 从波导耦合理论来看，谐振波长以 CW 波方式不停地打入滤波器中，最终的稳定状态是ring resonator 集聚了很大的能量，然后将输入波导中的能量完全的耦合到输出波导中。此时对应此谐振波长，稳定状态下透过率为应为 1. 但是，仿真过程中出现的几个现象我们却不能解释。 1）在 Matlab 仿真过程中，我们没有设置任何损耗，但是仿真结果显示：对于 M=2，两个环的滤波器，滤波频谱显示在中心波长处透过率小于 0dB，也就是透过率小于 1.

2）不同 krr情况下的通带图：通带定起伏可能超过 0dB。

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3）在 Rsoft 仿真中，pulsed excitation 应该是包括了所有波长，一次 pulsed excitation 相当于对于所有波长进行 CW excitation. 我们得到的光谱图如下图所示：

可以看到即便是谐振波长透过率也不是 100%（绿色线代表透过率），我们不明白这其中的原因是什么。然后我们取其中的某个波长进行 CW 波扫描，扫描结果：

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透过率最后基本不变，与 pulsed 扫描结果显示相同。蓝线表示的 through端能量还有上升趋势。

我们的猜想是，扫描时间没有长到达到了稳定状态，也就是当前光谱上显示的数值仍然是瞬态时候的示值，ring resonator此时仍然在积累能量。如果扫描时间继续延长可以看到谐振波长处透过率最终为 1.至于我们所选的谐振波长 CW扫描为什得到这样的结果，可能是我们所取的值并非真正的谐振点，首先峰值是手动读出，并非扫描数据自动计算出，另外考虑到扫描的间隔并非无限小，所以显示最大值也可能不是谐振波长。

2、加深了对集成光电子器件工艺的理解与传统的大尺寸波导相比，SOI纳米线波导能够大大缩小器件尺寸和面积，提高器件

工作速度与效率，降低器件功耗，因此，在波导器件中的制作中 SOI纳米线波导越来越受到人们重视。当然，随着波导尺寸的减小，也会有一些问题随之而来，如偏振相关性变大制作工艺变得复杂，与光纤的耦合等等,目前小尺寸纳米线波导和器件需要精细制备工艺，产业化水平尚不成熟。这些问题引起人们关注，相继提出了许多初步的解决方法，随着这些问题的解决，SOI纳米线波导的种种优秀将会在硅基光子集成器件中得到充分体现。

小组成员及分工

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姓名 性别 学号 组内任务喻梦捷 女 3080100431 参数优化， eo modulation

刘畅 女 3080104245 参数优化， rsoft 仿真林曈 男 3080104612 制作工艺，文档整理戴硕蔚 男 3080102417 rsoft 仿真，eo modulation

Appendix

Matlab 程序

1、DefineInputs.c ：kcr=0.15; %coupling coefficient (channel and ring)

tcr=(1-kcr^2)^0.5;

krr=0.022; %couple (rings)

trr=(1-krr^2)^0.5;

m=4; %number of rings

nc1=2.733945;%effective index

aL=0; %channel mode loss

aR=0;%ring mode loss

aP=0;%dB/um

L=120; %um

R=10.054;%um

n1=1.6278;

n2=1.465;

n3=1;

N=111;%order

Nst=1.53;

Nen=1.57;

Precise=0.000001;

2、Initial.c:File_name = ['Error_File-',date,'.txt']; % Open error file

Err_File_H = fopen(File_name,'w');

Start_time = fix(clock);

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fprintf(1,'\n\n Simulation start time: %d/%d/%d - %d:%d:%d \n', ...

Start_time(1),Start_time(2),Start_time(3),Start_time(4),Start_time(5)

,Start_time(6));

fprintf(Err_File_H,'\n\n Simulation start time: %d/%d/%d - %d:%d:%d \

n', ...

Start_time(1),Start_time(2),Start_time(3),Start_time(4),Start_time(5)

,Start_time(6));

3、Ring.c:clear all;

initial;

DefineInputs;Sum=0;

%a=['r','g','b','y','m','c'];

for i=1:3

%if(i==1) aR=0.0002;end

%if(i==2) aR=0.001;end

%if(i==3) aR=0.0003;end

x=Nst;k=0;

while(x<=Nen)

k=k+1;

be=2*pi*nc/x;%propragation constant

phCR=L*(be-j*aL);

phRR=pi*R*(be-j*aR);

Prr=(1/(j*krr))*[exp(-j*phRR),-trr*exp(-j*phRR);trr*exp(j*phRR),-

exp(j*phRR)];

Pcr=(1/(j*kcr))*[exp(-j*phCR),-tcr*exp(-j*phCR);tcr*exp(j*phCR),-

exp(j*phCR)];

P=Pcr;

for t=1:m,P=P*Prr;end

B=abs(P(2)/P(4));

D=abs(exp(-j*phCR)/P(4));

T(k)=10*log((D^2))+20;

U(k)=10*log((B^2));

x=x+Precise;

end

length(T)

axis([1.558 1.56 -70 0]);

x=[Nst:Precise:Nen];length(x)

plot(x,T);hold on;

end

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Reference ：

[1] Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, and M. Lipson, “Micrometre-scale silicon electro-optic

modulator ”, Nature, Vol. 435, pp. 325-327, 19,May 2005

[2] Nick K. Hon, Silicon depletion-type microdisk electro-optic modulators using selectively

integrated Schottky diodes, 2007 Optical Society of America

[3] Sasikanth Manipatruni, Qianfan Xu, Breaking the Tradeoff between Speed and

Extinction Ratio in Silicon Electro-optic Modulators, 2007 Optical Society of America

[4] Liu, A. et al. A high-speed silicon optical modulator based on a metal-

oxidesemiconductor capacitor. Nature 427, 615–-618 (2004).

[5] P. D. Hewitt and G. T. Reed, “Improving the response of optical phase modulators in SOI

by computer simulation,” J. Lightwave Technol., vol. 18, no. 3, p. 443, 2000.

[6] Wen Luh Yang, Tan Fu Lei, Chung Len Lee. "Contact Resistivities of Al and Ti on Si

Measured by a Self-aligned Vertical Kelvin Test Resistor Structure", Solid-State Electronics,

Vol. 32, No. 1 1, pp.997-1001, 1989.

[7] 马春生, 刘式墉. 光波导模式理论[M]. 长春: 吉林大学出版社. 2006.[8] 何赛灵, 戴道锌. 微纳光子集成[M], 北京: 科学出版社, 2010.4.[9] 微环谐振器，何炳堂，光学和光电技术，vol.8, No.5, 2010.8[10] 集成光学，唐天同，王兆宏[11] Wen Luh Yang, Tan Fu Lei, Chung Len Lee. "Contact Resistivities of Al and Ti on Si

Measured by a Self-aligned Vertical Kelvin Test Resistor Structure", Solid-State Electronics,

Vol. 32, No. 1 1, pp.997-1001, 1989.

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