光纖通訊用高速-低驅動電壓雙空乏區
致電-吸收光調制器

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電機工程學系

論文名稱

光纖通訊用高速-低驅動電壓雙空乏區致電-吸收光調制器
(Demonstration of a Dual-Depletion-Region Electro-Absorption Modulator at 1550nm Wavelength for High-Speed and Low-Driving-Voltage Performance )

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摘要(中)

摘要
在現今高速的光通信系統中，高速的(>10Gbits/sec) 光電調制器為通信系統中非常關鍵性的一部分。它能夠克服雷射直接調變時所產生的頻率飄移(chirp)，和頻寬不足的缺點，使得光通信系統中超高速的光時域多工和電時域多工變的可能。而光電調制器最主要分為兩類；分別是致電-吸光式調制器 (electro-absorption modulator, EAM) 和電-光折變式調制器(Electro-Optics Modulator, EOM)。其中LiNbO3 based 的EOM 已經商品化，而EAM 在市場上仍未普及。然而EAM 和EOM 相比之下仍具有了許多無法比擬的優點，例如說: 可和半導體雷射單晶或其他光電元件積體化結合[1,2]，較低的操作電壓，較低的極化敏感度，較低的製作成本[3]。而EAM至今無法大規模商品化的最大原因就是在於其介入損耗太大，元件阻抗過低，無法實現真正的行波式光電調制器。在傳統的EAM磊晶層結構中，簡單來說就是一個p-i-n的磊晶層結構，其中i-layer為一MQW的結構用來吸收入射光，外加電場也會侷限在此層中而加以調制。然而此結構最大的問題就是在於其為了降低操作電壓，此i-layer的厚度不能太厚，然而薄的i-layer卻會有相當大的元件電容，如此會造成元件速度表現的劣化，和許許多多非理想的微波傳播效應。我們雖然可以微縮元件尺寸來縮小電容，然而此舉卻會造成光信號耦合的困難和介入損耗的增加。因
I
此，我們提出一種有別於傳統p-i-n磊晶層結構的調制器來解決這個根本上速度和驅動電壓表現上的互相抵觸。我們所使用的磊晶層結構為p-i (MQW)-n+-i (collector)-n。此結構會讓大部分的電場集中在第一層i-layer (MQW)，使得驅動電壓不會隨著第二層i-layer(collector)厚度的增加而增加。此設計除了能解決驅動電壓和速度之間的互相牴觸外，也因為非參雜區厚度大幅加厚的關係大幅增加了光在非參雜區的侷限係數(confinement factor)，也同時降低了光在參雜區因為free-carrier-absorption 所造成的介入損耗。故此研究能大幅提升EAM的各種表現指標。由於此一結構擁有兩層空乏區，故我們將此結構的EAM稱之為雙空乏區致電-吸收光調制器 (Dual-Depletion-Region Electro-Absorption Modulator, DDR EAM )。
實驗結果驗證p-i (MQW)-n+-i (collector)-n結構確實能有效地降低元件電容值( C=0.27pF )且並不會使驅動電壓變大(V20dB=1V)，在穿透係數(S21)的量測中f3dB~13.5GHz，而電-光響應頻寬有10 GHz的表現，整體而言，與相同材料系統的EAM相比(見表1.1 )，S.Z.Zhang其FOM約為4.44 GHz/V [17]，而我們的FOM則為10 GHz/V。

關鍵字(中)

★ 致電-吸收光調制器
★ 多重式量子井
★ 光纖通訊

關鍵字(英)

★ Electroabsorption (EA) modulators
★ multiple quantum well (MQW)
★ optical communication

論文目次

目錄
摘要…………………………………………………………Ⅰ
誌謝…………………………………………………………Ⅲ
目錄…………………………………………………………Ⅵ
圖目錄………………………………………………………Ⅸ
表目錄………………………………………………………ⅩⅡ
第一章導論………………………………………………… 1
§1.1 光纖通訊之發展趨勢及其應用 1
§1.2 信號源的直接調變與間接(外部)調變 3
§1.3 致電-吸收光調制器 VS. 電-光調制器 4
§1.4 行波式電極 VS. 集總式電極 9
§1.5 論文架構 11
第二章雙空乏區致電-吸收光調制器
研究動機、設計與模擬 ………………………… 12
§2.1 致電-吸收光調制器原理介紹 12
§2.1.1載子躍遷 12
§2.1.2量子侷限史塔克效應 12
§2.2雙空乏區致電-吸收光調制器研究動機及設計 14 VI
§2.3光波導之設計與模擬 20
第三章元件製作概說與詳細製程步驟 ………………… 29
§3.1 元件製作概說 29
§3.2 晶片研磨與劈裂 31
§3.3 詳細製程步驟 32
§3.3.1試片清洗 32
§3.3.2 P-type金屬製作及阻擋層的自我對準 33
§3.3.3脊狀波導的蝕刻 37
§3.3.4 N-type 金屬製作 37
§3.3.5金屬的回火 37
§3.3.6元件( 主動區 )間的隔離 39
§3.3.7 Si3N4保護層製作與開金屬接觸區 41
§3.3.8 PMGI平坦化 43
§3.3.9金屬墊板( 傳輸線 )製作 45
第四章量測系統與量測結果分析 ……………………… 47
§4.1 量測系統 47
§4.2 量測結果 48
§4.2.1二極體特性 48 VII
§4.2.2元件特性的初步驗證 50
§4.2.3 DDR EAM元件特性 53
§4.2.3.1光電流量測 53
§4.2.3.2驅動電壓量測 54
§4.2.3.3微波特性及電-光響應頻寬量測 55
§4.3 電容特性驗證 58
第五章結論與未來之研究方向 ………………………… 61
§5.1 結論 61
§5.2 未來之研究方向 62
參考文獻 …………………………………………………… 64
附錄A 量子井模擬 ……………………………………… 71
附錄B 量測Calibration的方法 ………………………… 74
B.1 Adapter Removal 74
B.2 De-embedding of the photodiode (MN4765A) response 76
Publication List & Patent List ………………………………77
圖目錄
第一章導論
圖1.1電子通信技術的發展 2
圖1.2增加通信容量之波長分段多工系統示意圖 2
圖1.3啾頻係數與傳輸容量的關係圖 4
圖1.4 Mach - Zehnder 干涉儀 5
圖1.5集總式與行波式致電-吸收光調制器
的元件結構概念圖 10
圖1.6集總式與行波式電致電-吸收光調制器
的等效電路模型 10
第二章雙空乏區致電-吸收光調制器研究動機、設計與模擬
圖2.1量子侷限史塔克效應 14
圖2.2傳統致電-吸收光調制器的累晶結構示意圖 17
圖2.3致電-吸收光調制器的累晶結構示意圖
及概念帶型圖 17
圖2.4在光纖通信波長(1.55μm)的實施例之概念帶型圖 18
圖2.5 試片的PL測試報告圖 18
圖2.6矽玻璃光纖的衰減，並顯示光纖系統三個常用的主要波長區 22 IX
圖2.7化合物半導體能隙與晶格常數關係圖 22
圖2.8光波導的結構示意圖 24
圖2.9 光在光波導內的剖面圖 25
圖2.10光在光波導X-Y 剖面的分佈 26
圖2.11針對吸光層在Y-Z 剖面的光侷限係數 27
圖2.12針對吸光層且考慮光耦合效應下的光侷限係數 28
第三章元件製作概說與詳細製程步驟
圖3.1元件俯視圖 31
圖3.2金屬掀離示意圖 35
圖3.3 P-type金屬製作(a)顯微鏡下的照片(b)剖面示意圖 36
圖3.4 SEM 下的脊狀波導 36
圖3.5 N-type金屬製作(a)顯微鏡下的照片(b)剖面示意圖 39
圖3.6元件間的隔離製作(a)顯微鏡下的照片
(b)剖面示意圖 41
圖3.7 Si3N4 保護層與開金屬接觸區製作(a)顯微鏡下的照片 (b)剖面示意圖 43
圖3.8 PMGI 開洞及平坦化製作(a)顯微鏡下的照片
(b)剖面示意圖 45
圖3.9傳輸線製作(a)顯微鏡下的照片(b)剖面示意圖 46 X
第四章量測系統與量測結果分析
圖4.1量測系統的架設 48
圖4.2元件二極體特性 49
圖4.3 Device A 與 Device B 磊晶層概略圖 51
圖4.4 Device A 與 Device B 的微波特性表現 52
圖4.5 Device A 與 Device B 的光電流量測 53
圖4.6元件在不同波段不同偏壓下的光電流 56
圖4.7元件驅動電壓量測 56
圖4.8元件的微波特性量測 57
圖4.9電-光響應頻寬 58
圖4.10 T. Hatta所提出的等效電路模組 60
圖4.11以史密司圖表示量測到的S參數曲線及逼近曲線 60
第五章結論與未來之研究方向
圖5.1 具有被動波導管的EAM示意圖 63
附錄
圖A.1能階示意圖 72
圖B.1光偵測器(MN4765A)的頻率響應 76
表目錄
第一章導論
表1.1近年來致電-吸收光調制器的比較 7
表1.2已商品化致電-吸收光調制器的規格表 8
第二章雙空乏區致電-吸收光調制器研究動機、設計與模擬
表2.1雙空乏區致電-吸收光調制器磊晶結構表 19
表2.2 BeampropTM軟體中所使用到的材料相關參數 23
第三章元件製作概說與詳細製程步驟
表3.1 HDP Recipe 38
表3.2 PECVD Recipe 38

參考文獻

參考文獻
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指導教授

許晉瑋(Jin-Wei Shi)

審核日期

2005-7-5

推文