金氧半導體電容與p/n接面結構嵌入脊型波導之矽微環型電光調制器的光學分析

Optical analysis of silicon microring electro-optic modulators based on a MOS-capacitor and a pn junction embedded in a rib waveguide

謝安雄(Hsieh, An Hsiung)

指導教授 ： 趙煦

國立清華大學/電機資訊學院/光電工程研究所/碩士(2010年)

摘要

在本論文中，我們利用等效折射率法(Effective Index method)及保角轉換法(Conformal transformation method)結合使用光束傳播法(Beam propagation method)來模擬脊型彎曲波導結構的模態，接著藉由這套模擬方法推廣應用到環形共振腔架構之矽電光調制器的光學特性分析上。
環形共振腔的架構採用脊型波導設計是為了有更大的橫截面尺寸能使波導的模態以單模的形式傳播，以及增加光纖與波導間的耦合效率。而脊型波導的橫截面依自由載子濃度分布改變的情況，分別為載子排空、載子累積、載子注入等三種模式，因此發展出p/n接面、金氧半導體和p-i-n結構等橫截面設計應用於矽電光調制器。
本論文主要討論非對稱p/n接面和金氧半導體此兩款為主的脊形橫截面設計，此兩款的操作機制都是藉由加入電壓造成自由載子色散效應進而調變模態的折射率和光學損耗係數，接著利用我們提供的一套模擬計算方法可以分別得到不同電壓切換下的模態折射率和光學損耗係數，之後代入環形共振腔之穿透率與波長的關係式得到環形共振腔的穿透光譜，從中分析出不同結構的光學特性如光學調變速率、消光比、插入損耗、品質因子等。在本論文中對於環形共振腔結構之矽電光調制器建立了完整的光學分析流程之外，同時藉此光學分析的結果給予未來在元件的製程設計上有指標性的參考價值。

關鍵字

微環形共振腔

參考文獻

[3]F. Y. Gardes, G. T. Reed, N.G. Emerson, “A sub-micron depletion-type photonic modulator in Silicon On Insulator,”OPTICS EXPRESS 8845, Vol. 13, No. 22

Carl B. Poitras, and Michal Lipson,” Deposited silicon high-speed integrated electro-optic modulator”, OPTICS EXPRESS 5118, Vol. 17, No. 7

[6]K. Okamoto, ”Planar optical waveguides,” in Fundamentals of Optical

[7]M. Munowitz and D. J. Vezzetti,“Numerical procedures for constructing equivalent slab waveguides. An alternative approach to effective-index theory,”J. Lightwave Technol., vol. 9, pp. 1068-1073, Sept. 1991.

[8]M. Heiblum and J. H. Harris,“Analysis of curved optical waveguides by conformal transformation,”IEEE J. Quantum Electron., vol. 11, pp. 75-83,Feb. 1975.