硅基马赫曾德尔电光调制器的高速电路研究-电子与通信工程专业论文.docxVIP

上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 万方数据 万方数据 硅基马赫曾德尔电光调制器 的 高速电路研究 摘 要 硅基光子学近年来发展迅速，由于硅是微电子加工的传统材料，有着无可比拟 的低成本优势，所以为研制可集成的高速电光调制器提供了机遇。电光调制器是光 通信、光互连和光信号处理的核心器件，特别是基于等离子色散效应的硅基电光调 制器具有较高的调制速率和低成本批量化生产潜力，应用前景广泛。 论文围绕着硅基马赫曾德尔调制器，分析了行波电极的相关理论，仿真优化了 调制器芯片的片上电学互连线；提出了单端推挽的行波电极结构，并以此基础设计 了一种四相移键控(QPSK)调制器芯片；设计了两种用于集成的调制器高速驱动电路。 论文主要内容包括以下几个方面： （1）硅基马赫曾德尔调制器芯片的高速电路相关研究 主要分析仿真并优化了调制器芯片的片上电学部分。首先分析了行波电极的主 要特性和等效电路模型。通过理论计算得出电阻、电感和电容的数值，并分析不同 数值的电抗参数对其特性的影响，结果表明 PN 结的等效电容值和行波电极的等效电 感影响较大。之后优化了调制器芯片的两种常用行波电极结构(CPS 和 CPW)，片上 高速微波互连线以及 I/O 接口部分。结果表明其阻抗匹配在 50 欧姆附近，正向传输 系数 S21 和反射系数 S11 均符合低损耗要求，片上电学部分的整体 3dB 带宽在 30GHz 以上。 （2）单端推挽工作的行波电极设计 为了实现高效紧凑的 QPSK 调制器，本人设计出了一种单端推挽形式的行波电 极结构。在这种结构中电极置于马赫曾德尔两臂的外侧，两臂中间的平板层掺杂形 成导体与外部的直流偏置信号相连。优化后的仿真和实验结果表明电极的阻抗在 50 欧姆附近，阻抗匹配良好。通过实验测试，基于此电极的马赫曾德尔调制器可以实 现 20Gb/s 的调制速率。在此单端推挽行波电极为基础，本人还设计了 QPSK 调制器。 （3）调制器芯片的驱动电路设计 为了实现调制器芯片的电光集成模块，本人提出了两种高速驱动电路的设计。 方案一采用分布式电路原理构成偏置三通(bias-tee),并以 GaAs 晶体管为基础组成放 第 I 页 大器。方案二采用商用的驱动放大器芯片与 bias-tee 芯片，主要对电路板的进行全波 仿真，分析信号完整性，优化控制阻抗、电磁隔离等要素。仿真表明两种电路板都 有着较优的性能，可以与芯片实现光电一体化集成。 关键词：光通信，硅基器件，集成光电子，行波电极，调制器，驱动电 路 第 II 页 HIGH-SPEED ELECTRICAL CIRCUITS FOR SILICON MACH-ZEHNDER ELECTRO-OPTIC MODULATORS ABSTRACT Silicon photonics has developed rapidly in recent year. Silicon is the traditional material in silicon microelectronics as it has the unparalleled cost advantage. It can also be used for developing integrated high-speed optical modulators. Optical modulators are the key devices in optical communications, optical interconnects, and optical signal processing. Particularly, silicon optical modulators based on the free-carrier plasma dispersion effect have the key merits of high modulation speed, low cost, and mass production capabilities. This thesis focuses on the design of high-speed electrical circuits for silicon Mach- Zehnder modulators, including on-chip electrical interconnection, single-end push-pull traveling- wave electrode, and two types of modulator driving circuits. The main content of this thesis is d