硅基光电子集成技术采用地球上最为丰富的硅材料作为衬底和功能材料，具有集成度高、和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等特点，能大幅降低系统制造和维护的成本和能耗，被视为高速光通信和光互连成本和能耗瓶颈问题的理想解决方案。硅基电光调制器完成电信号到光信号的转换，是硅基光电子集成技术最具代表性的功能器件和最具活力的研究领域。近年来，在学术界和工业界的持续创新努力下，各种新结构不断被提出，各种性能指标不断被突破。然而，围绕硅基电光调制器，仍有很多工作需要完善，如单个性能指标取得突破而综合指标不好、与传统CMOS工艺不完全兼容、针对高阶调制和模拟调制等高级应用对器件特性的要求的研究不足等。为此，本文开展了横向耗尽式结构的硅基马赫曾德(Mach-Zehnder，MZ)电光调制器的研究，主要包括以下几方面内容:　　1.硅基MZ电光调制器的设计和仿真优化。梳理和总结了硅基MZ调制器的设计思路，分别针对硅基调制器无源部分和有源部分设计了单模条形波导和单模脊形波导，重点分析和仿真研究了PN结参数对调制带宽、调制效率和插入损耗的影响，得到了最优参数。研究了MZI光学结构对器件消光比、自由光谱区(FSR)的影响。　　2.硅基MZ电光调制器的工艺设计和实验测试。设计了硅基调制器的工艺流程。搭建了测试硅基电光调制器调制带宽、调制效率和眼图等的系统，3dB调制带宽达到27GHz，调制效率高达0.5V.cm，进行了30Gb/s的背对背传输实验，眼图消光比为6.5dB，信噪比达9.6dB。针对传统硅基MZ调制器设计易受离子注入套刻偏差影响，进而导致两臂性能不一致的缺陷，提出了一种工艺不敏感的双臂驱动电光调制器解决方案，有助于需要双臂差分驱动的调制器应用的实现。相关成果己申请国家发明专利。　　3.硅基MZ线性调制器的研究。针对硅基调制器与传统铌酸锂调制器在线性性方面的区别，提出了利用PN结产生的非线性与MZI光学结构产生的非线性相互抵消从而提高线性度的方法。具体地，通过优化PIN结耗尽区宽度，实现了无杂散动态范围(SFDR)比铌酸锂调制器高6.7dB的优化结果，并研究了偏置电压对SFDR的影响。　　4.基于沟道加载波导的低损耗硅基电光调制器研究。目前报道的硅基调制器基本都是在针对硅基光电子学开发的CMOS工艺平台上制造的，与微电子器件不能在一套CMOS平台同步加工。本文设计了基于沟道加载波导的硅基电光调制器，即和标准CMOS工艺完全兼容，又克服了原始设计因poly-Si强吸收导致的高损耗问题。相关成果发表在SPIE Photonics Asia2012上。　　其创新性主要包括以下几个方面:　　1.采用高掺杂浓度和偏移PN结的设计，将调制效率提高到0.5Vcm，实现了小尺寸低驱动电压的调制器，2mm长的器件，Vπ约为3V，此结果比已报道的结果好一倍以上。同时，其他性能也得到优化，3dB调制带宽达到27GHz，30Gb/s眼图的消光比为6.5dB，信噪比达9.6dB。　　2.提出了一种工艺不敏感的硅基双臂驱动调制器设计方案，克服了现有报道的硅基调制器可能因为离子注入工艺的套刻偏差导致两臂掺杂不对称，从而不能差分工作的缺陷。该设计有助于推挽式工作的OOK调制器、BPSK调制器和QPSK调制器的实现。　　3.提出了基于沟道加载波导的低损耗硅基调制器。已报道的基于传统CMOS工艺的调制器采用条形加载波导作为调制器有源区的脊，poly-Si对光场强吸收导致器件损耗极大。与此不同，本文的设计能将大部分光场限制在低折射率的沟道区域，减小了限制在poly-Si区域的光场比例，从而大幅降低了器件损耗，同时又不改变原有的工艺。