本論文主要開發用於光收發模組的矽光子元件，其中分別為調變器與利用分波多工技術所設計的多工與解多工器。
其中的調變器我們選擇以環形共振腔調變器(Micro-Ring Modulator, MRM)進行優化，我們使用公式設計降低光場損耗的彎曲波導並將其應用於MRM之中，其原理為在波導轉彎最急劇的地方以逐漸變寬的波導以及逐漸變大半徑來降低光場在轉彎處所造成的溢散。此外，我們在兩個彎曲波導之間加入一小段長度來改變MRM的共振波長，此設計能使調變器的波長與分波多工的波長通道對準且不會改變MRM的元件特性，以此來減少使用加熱器調整共振波長的需求。
馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)的部分我們使用了針對波導寬度的製程不敏感設計，此設計分成了針對FSR不敏感與針對干涉波長不敏感，我們將此兩種元件設計於CW-WDM的波長規範通道間距為200 GHz並下線於SiN的平台，將兩種製程不敏感的設計與一般的MZI進行比較。
多工與解多工器的部份我們一樣設計於CW-WDM的波長規範通道間距為200 GHz，並以此設計兩種使通道平坦化與降低串擾的元件，第一種為結合MZI和MRR的設計，其中的MZI也結合了製程不敏感的設計，在此我們將此元件下線於Si平台的板型波導、Si平台的板型波導與SiN平台，分別進行比較，以此來確定製程不敏感與不同材料及波導對此元件的影響；第二種為串聯高階的MRR，我們也將此元件下線於SiN的平台，並藉由在彎曲波導之間加入一小段長度的方式來設計於不同共振波長的高階MRR，同時也藉由改變coupling ratio設計出了擁有不同平坦通道寬度與串擾的高階MRR。
最後我們同時使用分波多工與增加光纖數量兩種方法來達到多通道的效果，並設計出了結合了MRM、分波多工與解多工器的十六通道光收發模組，每個通道上皆擁有MRM以及高速的光感測器。

The main focus of this thesis is the development of silicon photonic devices for optical transceiver modules, specifically modulators, and multiplexers/demultiplexers designed using wavelength division multiplexing (WDM) technology.
For the modulator, we chose to optimize a micro-ring modulator (MRM). We employed a formula-based design to reduce the optical field loss in bent waveguides and applied it to the MRM. The principle involves gradually widening the waveguide and increasing the bending radius at the sharpest turns to minimize optical field scattering at the bends. Additionally, a short segment of length was added between the two bent waveguides to adjust the resonant wavelength of the MRM. This design aligns the modulator’s wavelength with the WDM channels without altering the characteristics of the MRM, thereby reducing the need to use heaters for adjusting the resonant wavelength.
Regarding the Mach-Zehnder Interferometer (MZI), we implemented a design insensitive to waveguide width variations during fabrication. This design is categorized into two types: one that is insensitive to the free spectral range (FSR) and one that is insensitive to the interferometric wavelength. Both designs were implemented on a SiN platform with a channel spacing of 200 GHz as per CW-WDM specifications and were compared with a standard MZI.
For the multiplexer and demultiplexer, we also designed the devices based on the CW-WDM channel spacing of 200 GHz. Two types of devices were developed to flatten the channels and reduce crosstalk. The first type combines an MZI and an MRR, with the MZI incorporating the fabrication-insensitive design. This device was implemented on a silicon platform with planar waveguides, a silicon platform with rib waveguides, and a SiN platform to compare the effects of fabrication insensitivity, different materials, and waveguides on the device. The second type involves cascaded high-order MRRs, which were implemented on a SiN platform. By adding a short segment of length between the bent waveguides, the high-order MRRs were designed for different resonant wavelengths. Additionally, by adjusting the coupling ratio, we designed high-order MRRs with different flat channel widths and crosstalk.
Finally, we used both WDM and an increased number of fibers to achieve multi-channel effects and designed a 16-channel optical transceiver module combining MRM, multiplexers, and demultiplexers. Each channel is equipped with an MRM and a high-speed photodetector.

論文審定書 i
致謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xiv
第一章、緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 矽光子學 2
1.3 研究動機 4
1.4文獻回顧 7
第二章、基礎元件理論 10
2.1 波導 10
2.2 定向耦合器(Directional Coupler, DC) 13
2.3 微環形共振腔(Micro-Ring Resonator) 15
2.4 馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer) 21
第三章、低損耗環形共振腔調變器 24
3.1 PN參雜調變原理 25
3.2 低損耗彎曲波導 27
3.3 低損耗環形共振腔調變器 29
3.4 量測結果 33
第四章、製程不敏感馬赫-曾德爾干涉儀 37
4.1 製程不敏感理論 38
4.2 氮化矽製程不敏感馬赫-曾德爾干涉儀設計 43
第五章、分波多工與解多工器 56
5.1 馬赫-曾德爾干涉儀短臂上串環形共振腔 57
5.2 矽板形波導FSR製程不敏感馬赫-曾德爾干涉儀短臂上串環形共振腔 59
5.3 矽條形波導干涉波長製程不敏感馬赫-曾德爾干涉儀短臂上串環形共振腔 65
5.4 氮化矽製程不敏感馬赫-曾德爾干涉儀短臂上串環形共振腔 70
5.5 氮化矽雙低損耗環形共振腔 80
第六章、十六通道光收發模組 87
6.1 十六通道光收發模組分波多工復用器(MUX) 88
6.2 十六通道光收發模組環形共振腔調變器 89
6.3 十六通道光收發模組分波多工解復用器(DEMUX) 90
6.4 十六通道光收發模組下線佈局 91
第七章 結論與未來工作 92
參考文獻 95


圖目錄
圖 1 1、光波導示意圖2
圖 1 2、矽光子應用市場預期(2023 Yole Development) [1]3
圖 1 3、光學連接方案示意圖[2]4
圖 1 4、Intel 推出之矽光子100Gb/s、400Gb/s 光收發模組中的傳輸端架構圖[3]5
圖 1 5、CPO的矽光子元件架構6
圖 1 6、元件設計架構(a) 串聯高階的MZI[25] (b) MZI上串Ring[21] 與 (c) 串聯高階的Ring [22]7
圖 1 7、Intel 推出之矽光子25.6Tb/s光交換器，包含16個1.6Tb/s光引擎[26]8
圖 1 8、Intel之128 Gb/s PAM4 環形共振腔調變器[28]9
圖 2-1、條形波導(a) 結構示意圖與 (b) 截面光場圖11
圖 2-2、條形波導於波長1300.05 nm不同寬度下的模擬(a) 等效折射率n_eff與(b) 群折射率n_g11
圖 2-3、板形波導(a) 結構示意圖與 (b) 截面光場圖12
圖 2-4、淺蝕刻板形波導於波長1300.05 nm下各寬度的(a) 等效折射率與 (b) 群折射率12
圖 2-5、定向耦合器結構示意圖13
圖 2-6、定向耦合器中對稱特徵模態與反對稱特徵模態水平方向電場Real(E_x)14
圖 2-7、All-Pass MRR結構示意圖15
圖 2 8、Add-Drop MRR結構示意圖16
圖 2 9、All-Pass MRR (紅色)與Add-Drop MRR (黑色)頻譜圖[8]16
圖 2 10、傳統光學的MZI架設結構示意圖21
圖 2 11、將MZI設計於矽光子晶片上的結構示意圖21
圖 3-1、LPN結構剖面圖26
圖 3-2、Low-loss Bend (a)結構示意圖與(b)寬度與半徑變化圖27
圖 3-3、Circular Bend與Low-loss Bend的(a) 光場圖與 (b) 不同波長下的損耗28
圖 3-4、Low-loss Ring Modulator結構示意圖29
圖 3-5、FDTD軟體中(a) Low-loss bend與 (b) 低損耗定向耦合器的模擬30
圖 3-6、Active11晶片的Low-loss Ring Modulator (a) 下線佈局圖與 (b) 模擬結構圖31
圖3-7、串聯間距200 GHz八顆環形共振腔調變器模擬頻譜圖 (a) 耦合區間距為180 nm與 (b) 耦合區間距為200 nm32
圖3-8、Low-loss Ring Modulator晶片布局圖33
圖 3-9、Low-loss Ring Modulator量測頻譜圖(a) 耦合區間距180 nm與 (b) 200 nm33
圖 3-10、耦合區間距為180 nm不同周長的Low-loss Ring Modulator量測頻譜圖34
圖 3-11、Active11晶片高頻量測的架構圖35
圖 3-12、Low-loss Ring Modulator於28 Gbps的NRZ訊號下的眼圖36
圖 4-1、晶圓的均勻度使得不同位置的元件有不同的製程效果[19]37
圖 4-2、製程不敏感MZI於矽光子晶片上結構示意圖38
圖 4-3、氮化矽條形波導於波長1300.05 nm下不同寬度的模擬(a )等效折射率與 (b)群折射率43
圖 4-4、MZI於interconnect模擬軟體中的模擬(a)結構圖與(b)頻譜圖44
圖 4-5、MZI在製程變異下於INTERCONNECT的模擬頻譜圖45
圖 4-6、八通道cascaded MZIs(a) 結構示意圖與(b) 模擬頻譜圖45
圖 4-7、通道間距200GHz的MZI下線佈局圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascaded MZIs28
圖 4-8、通道間距200GHz的MZI下線佈局圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascade MZIs46
圖 4-9、第一級MZI於wafer不同位置量測結果47
圖 4-10、干涉波長長製程不敏感MZI於INTERCONNECT的模擬(a)結構圖與(b)頻譜圖48
圖 4-11、干涉波長製程不敏感MZI在製程變異下於INTERCONNECT的模擬頻譜圖49
圖 4-12、八通道干涉波長製程不敏感cascaded MZIs(a) 結構示意圖與(b) 模擬頻譜圖29
圖 4-13、通道間距200GHz的干涉波長製程不敏感MZI下線佈局圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascaded MZIs50
圖 4-14、通道間距200GHz的MZI量測頻譜圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascaded MZIs50
圖4-15、第一級干涉波長製程不敏感MZI於wafer不同位置量測結果51
圖 4-16 、FSR製程不敏感MZI於interconnect模擬軟體中的(a)結構圖與(b)頻譜圖52
圖 4-17、FSR製程不敏感MZI在製程變異下於interconnect模擬軟體中的模擬頻譜圖53
圖 4-18、八通道干涉波長製程不敏感cascaded MZIs (a) 結構示意圖與 (b) 模擬頻譜圖53
圖 4-19、通道間距200GHz的FSR製程不敏感MZI下線佈局圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascaded MZIs54
圖 4-20、通道間距200GHz的MZI下線佈局圖(a) 第一級MZI與(b) 八通道Cascaded MZIs54
圖 4-21、第一級FSR製程不敏感MZI於wafer不同位置量測結果55
圖 5-1、利用MZI上串Ring八通道DWDM分波多工器結構圖[21]56
圖 5-2、製程不敏感MZI上有無串接Ring示意圖57
圖 5-3、單一MZI短臂串Ring模擬頻譜圖(a)MZI與Ring頻譜關係圖(b)MZI與Ring耦合分光比58
圖 5-4、八通道分波多工系統架構示意圖58
圖 5-5、(a)板形波導結構圖與(b)波導於波長1300.05 nm下不同寬度的等效折射率n_eff與群折射率n_g59
圖 5-6、Ring耦合區示意圖60
圖 5-7、利用板形波導 (a) 串三級MZI的穿透頻譜與(b) MZI的短臂上串Ring的穿透頻譜61
圖 5-8、三級八通道MZI的布局圖(a)單純串聯MZI與(b) MZI的短臂上串Ring62
圖 5-9、串三級MZI的模擬與量測結果(a) MZI的短臂上串Ring與(b) 沒有使用Ring63
圖 5-10、串三級MZI調整heater後的量測結果(a) MZI的短臂上串Ring與(b) 沒有使用Ring63
圖 5-11、(a) Ring的FSR小8GHz的模擬頻譜圖與 (b) 串三級MZI短臂上串Ring的量測頻譜圖64
圖 5-12、(a) 波導結構與 (b) 於波長1300.05 nm下不同寬度的模擬等效折射率n_eff與群折射率n_g65
圖 5-13、Ring的耦合區示意圖66
圖 5-14、條形波導 (a) 串三級MZI的模擬穿透頻譜與 (b) 串三級MZI的短臂上串Ring的模擬穿透頻譜66
圖 5-15、三級八通道MZI的布局圖(a)沒有使用Ring與(b) MZI的短臂上串Ring67
圖 5-16、條形波導串三級MZI的模擬與量測結果(a) MZI的短臂放Ring與(b) 沒有使用Ring68
圖 5-17、串三級MZI調整heater後的量測結果(a) MZI的短臂上串Ring與(b) 沒有使用Ring69
圖 5-18、氮化矽Ring環形共振腔的耦合區示意圖70
圖 5-19、氮化矽MZI短臂上串Ring的布局圖(a)第一級與(b)串三級八通道71
圖 5 20、第一級氮化矽MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a)原始元件與(b)Ring周長-200 nm72
圖 5 21、第一級氮化矽MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a) 上(b) 下 (c) 左 (d) 右72
圖 5 22、串三級氮化矽MZI短臂上串Ring量測頻譜圖73
圖 5 23、氮化矽干涉波長製程不敏感MZI短臂上串Ring的布局圖(a)第一級與(b)串三級八通道74
圖 5 24、第一級氮化矽干涉波長製程不敏感MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a)原始元件與(b)Ring周長-50 nm75
圖 5 25、第一級氮化矽干涉波長製程不敏感MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a) 上(b) 下 (c) 左 (d) 右75
圖 5 26、串三級氮化矽干涉波長製程不敏感MZI短臂上串環Ring量測頻譜圖76
圖 5 27、氮化矽干涉波長製程不敏感MZI短臂上串Ring的布局圖(a)第一級與(b)串三級八通道77
圖 5 28、第一級氮化矽FSR製程不敏感MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a)原始元件與(b)Ring周長+50 nm78
圖 5 29、第一級氮化矽FSR製程不敏感MZI短臂上串Ring量測頻譜圖(a) 上(b) 下 (c) 左 (d) 右78
圖 5 30、串三級氮化矽FSR製程不敏感MZI短臂上串Ring量測頻譜圖79
圖 5 31、雙環形共振腔結構示意圖81
圖 5 32、雙環形共振腔模擬頻譜圖82
圖 5 33、雙環形共振腔調整k_1與k_2模擬頻譜圖(a) 通道頂點能量損耗 (b) 3dB Bandwidth (c) Crosstalk (d) 通道頂點Ripple 深度83
圖 5 34、半徑25 μm氮化矽低損耗彎曲波導 (a) 模擬結構圖 (b) 波導寬度變化83
圖 5 35、氮化矽低損耗彎曲波導與一般波導模擬損耗比較圖84
圖 5 36、氮化矽低損耗Double ring調整k_1與k_2的模擬頻譜圖84
圖 5 37、氮化矽低損耗環形共振腔耦合區(a)結構示意圖與(b)調整間距後的coupling ratio85
圖 5 38、氮化矽雙低損耗環形共振腔布局圖86
圖 5 39、氮化矽雙低損耗環形共振腔固定k_1調整k_2的量測頻譜圖86
圖 5 40、氮化矽Double ring調整k_1與k_2的量測頻譜圖87
圖 5 41、氮化矽Double ring調整L的量測頻譜圖87
圖 6-1、16通道的光收發模組設計概念圖89
圖 6-2、使用於MUX中的一串一MZI設計(a) 結構圖 (b) 模擬頻譜圖90
圖 6-3、Low Loss Ring Modulator結構示意圖91
圖 6-4、三階串二階串一階MZI (a) 結構示意圖 (b) 模擬頻譜圖92
圖 6-5、十六通道光收發模組的下線佈局圖93
圖 7-1、MZI短臂上串Ring後面串Double Ring (a)下線佈局圖與 (b) 模擬頻譜圖94
圖 7-2、MZI短臂上串Ring後面串Double Ring (a)下線佈局圖與 (b) 模擬頻譜圖95
圖7-3、MZI長臂與短臂上都串Ring (a)下線佈局圖與 (b) 模擬頻譜圖95

表目錄
表 1 1、CW-WDM通道波長規格[4]7
表 1 2、矽光子光收發模組特性列表[27]7
表 3 2、PN摻雜濃度28
表 3 3、不同L對應Low-loss Ring Modulator共振波長29
表 3 4、Low-loss Ring Modulator於28 Gbps的NRZ訊號下的參數34
表 5-1、MZI串Ring於不同材料與不同波導下的量測數據比較80
表 6-1、Ring Modulator L長度91

[1] Yole. "Silicon photonics: to SOI and beyond!,"
https://www.yolegroup.com/press-release/silicon-photonics-to-soi-and-beyond/.
[2] "Co-packaged optics opportunities in radio-access networks "
https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/ericsson-technology-review/articles/co-packaged-optics-in-6g-ran
[3] Intel.https://www.intel.com.tw/content/www/tw/zh/products/details/network-io/silicon-photonics.html#tab-blade-1-1
[4] A. L. Matt Sysak. "CW-WDM MSA Technical Specifications," https://cw-wdm.org/?wpdmdl=2092.
[5] H. A. Haus, and W. Huang, “Coupled-mode theory,” Proceedings of the IEEE, vol. 79, no. 10, pp. 1505-1518, 1991.
[6] G. Zhang, X. Feng, B. Liedberg, and A. Liu, “Gas sensor for volatile organic compounds detection using silicon photonic ring resonator,” Procedia Engineering, vol. 168, pp. 1771-1774, 2016.
[7] R. Jannesari, C. Ranacher, C. Consani, T. Grille, and B. Jakoby, “Sensitivity optimization of a photonic crystal ring resonator for gas sensing applications,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 264, pp. 347-351, 2017.
[8] W. Bogaerts, P. De Heyn, T. Van Vaerenbergh, K. De Vos, S. Kumar Selvaraja, T. Claes, P. Dumon, P. Bienstman, D. Van Thourhout, and R. Baets, “Silicon microring resonators,” Laser & Photonics Reviews, vol. 6, no. 1, pp. 47-73, 2012.
[9] A. Yariv, “Critical coupling and its control in optical waveguide-ring resonator systems,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, no. 4, pp. 483-485, 2002.
[10] J. H. Song, T. D. Kongnyuy, P. De Heyn, S. Lardenois, R. Jansen, and X. Rottenberg, "Compact micro-ring resonator using low-loss silicon waveguide
[11] G. Reed, D. Thomson, W. Zhang, F. Gardes, L. Mastronardi, K. Li, S. Matsuo, S. Kanazawa, L. Vivien, and C. Lafforgue, "Optical modulators," Integrated Photonics for Data Communication Applications, pp. 69-121: Elsevier, 2023.
[12] T. Y. Ang, C. E. Png, S. T. Lim, and J. R. Ong, "Silicon modulators with optimized vertical PN junctions for high-modulation-efficiency and low-loss in the O-band." pp. 42-49.
[13] J. Sun, R. Kumar, M. Sakib, J. B. Driscoll, H. Jayatilleka, and H. Rong, “A 128 Gb/s PAM4 silicon microring modulator with integrated thermo-optic resonance tuning,” Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 1, pp. 110-115, 2018.
[14] J. H. Song, T. D. Kongnyuy, P. De Heyn, S. Lardenois, R. Jansen, and X. Rottenberg, “Low-loss waveguide bends by advanced shape for photonic integrated circuits,” Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 12, pp. 3273-3279, 2020.
[15] J. H. Song, T. D. Kongnyuy, P. De Heyn, S. Lardenois, R. Jansen, and X. Rottenberg, “Enhanced silicon ring resonators using low-loss bends,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 6, pp. 313-316, 2021.
[16] 王睿紳, “應用於共同封裝光學之關鍵光電元件開發與探討” 光電工程學系研究所, 國立中山大學, 高雄市, 2024.
[17] Silicon/Germanium Resistivity and Carrier Concentration Calculators," http://www.solecon.com/sra/rho2ccal.htm.
[18] "Resistivity calculator," https://www.pvlighthouse.com.au/resistivity.
[19] W. Bogaerts, U. Khan, and Y. Xing, "Layout-aware yield prediction of photonic circuits." pp. 1-2.
[20] Yen, Tzu-Hsiang, and Yung Hung. "Fabrication-insensitive CWDM (de) multiplexer based on cascaded Mach-Zehnder interferometers." 2020 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). IEEE, 2020.
[21] Munk, Dvir, et al. "Eight-channel silicon-photonic wavelength division multiplexer with 17 GHz spacing." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 25.5 (2019): 1-10.
[22] Manganelli, C. L., et al. "Large-FSR thermally tunable double-ring filters for WDM applications in silicon photonics." IEEE Photonics Journal 9.1 (2017): 1-10.
[23] Yi, Qiyuan, et al. "Silicon photonic flat-top WDM (de) multiplexer based on cascaded Mach-Zehnder interferometers for the 2 µm wavelength band." Optics Express 30.15 (2022): 28232-28241.
[24] Sabri, Laaya, Frederic Nabki, and Michaël Ménard. "High-performance silicon nitride (de) multiplexer based on ring-assisted MZIs." Optics Express 32.6 (2024): 10660-10668.
[25] Yi, Qiyuan, et al. "Silicon photonic flat-top WDM (de) multiplexer based on cascaded Mach-Zehnder interferometers for the 2 µm wavelength band." Optics Express 30.15 (2022): 28232-28241
[26] S. Fathololoumi, et al., "1.6Tbps Silicon Photonics Integrated Circuit for Co-Packaged Optical-IO Switch Applications," Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2020, paper T3H.1.
[27] X. Tu et al., "Silicon optical modulator with shield coplanar waveguide electrodes," Opt Express, vol. 22, no. 19, pp. 23724-31, Sep 22 2014, doi: 10.1364/OE.22.023724.
[28] J. Sun, R. Kumar, M. Sakib, J. B. Driscoll, H. Jayatilleka and H. Rong, "A 128 Gb/s PAM4 Silicon Microring Modulator With Integrated Thermo-Optic Resonance Tuning," Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 1, pp. 110-115, 2019.