硅基微納光波導(dǎo)集成型濾波器與光電探測器研究.pdf

1、信息和通信技術(shù)的發(fā)展徹底改變了人們的思維方式和生活方式，促進了經(jīng)濟和社會的飛速發(fā)展。而光通信的諸多優(yōu)勢使得人們希望這項技術(shù)不僅僅局限于長距離通信方面的應(yīng)用，而應(yīng)該延伸至中短距離通信以及互連領(lǐng)域。由此，光通信及光互連中大量使用的集成光電子器件的研究吸引了越來越多的注意力。在降低成本和提高性能的愿望驅(qū)使下，集成光電子器件朝著高集成度的方向不斷發(fā)展。在減小器件尺寸方面，采用高折射率差的光波導(dǎo)成為最直接有效的途徑；在功能集成方面，將所有光功能集

2、成在硅基材料中具有無可比擬的成本優(yōu)勢和誘人的發(fā)展前景。本論文緊緊圍繞提高集成度的上述兩個方面展開研究和討論。
　　 首先回顧了光波導(dǎo)基本理論，在用解析方法求解平板波導(dǎo)的同時介紹了波導(dǎo)的各種重要概念。為了精確求解復(fù)雜的光波導(dǎo)及其集成器件問題，必須采用數(shù)值模擬方法。對各種常用數(shù)值計算方法進行了介紹，包括有限差分方法、光束傳播方法和時域有限差分方法。
　　 研究了三種新型硅基強限制微納光波導(dǎo)。通過調(diào)試并改進深刻蝕工藝，成功制作

3、出了深刻蝕二氧化硅脊形光波導(dǎo)，實驗中驗證了這種波導(dǎo)可承受數(shù)十微米的彎曲半徑，具有提高器件集成度的巨大潛力。根據(jù)不同的波導(dǎo)寬度，其傳播損耗為0.33～0.81dB/mm，而側(cè)壁散射是傳播損耗的主要來源。基于這種波導(dǎo)，制作出了多模干涉耦合器，初步探索其在制作實際器件方面的應(yīng)用價值。為了降低成本，制作并測試了SU-8聚合物脊形光波導(dǎo)及器件，如Y分支、微環(huán)諧振器、陣列波導(dǎo)光柵等。研究了硅納米線光波導(dǎo)在極小彎曲半徑下的彎曲損耗特性。通過比較各種數(shù)

4、值計算方法，確定三維時域有限差分方法在此計算中是必要且可行的，并由此計算出彎曲損耗隨波導(dǎo)尺寸和結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系。還進一步給出了微環(huán)諧振器的本征Q值與彎曲半徑的關(guān)系。
　　 基于硅納米線光波導(dǎo)，本文研究了陣列波導(dǎo)光柵、微環(huán)諧振器等兩種典型集成光濾波器。首先對硅納米線陣列波導(dǎo)光柵進行了優(yōu)化設(shè)計。通過在陣列波導(dǎo)末端引入雙錐形輔助波導(dǎo)，并采用新型混合方法對輔助波導(dǎo)進行快速而精確的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效改進了器件的通道均勻性。在不增加器件尺寸的情況

5、下，使陣列波導(dǎo)光柵的可用通道數(shù)增加了50％。而為了采用硅納米線光波導(dǎo)實現(xiàn)超高密度波分復(fù)用器（通道間隔0.1nm），我們選用微環(huán)諧振器陣列這一設(shè)計方案。通過合理設(shè)計，使單個微環(huán)諧振器的光譜響應(yīng)達到系統(tǒng)要求，制作出的器件的Q值為4×104?？紤]到實驗工藝誤差，我們還制作了微加熱器，通過熱光調(diào)諧的方式分別調(diào)節(jié)每個單元的諧振波長，從而使相鄰微環(huán)諧振器的諧振波長間隔符合設(shè)計值0.1nm。實驗結(jié)果表明，熱光調(diào)諧方式可以方便的實現(xiàn)這一目標(biāo)，且?guī)缀醪粫?/p>

6、改變原有的光譜響應(yīng)形狀。
　　 為了降低光集成器件的成本及滿足多功能集成的要求，需要把各種光功能器件集成在硅基材料上。由此引入了Ⅲ-Ⅴ族材料和硅基的異質(zhì)集成技術(shù)。我們對異質(zhì)集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了討論，并重點介紹本文所采用的以BCB聚合物為粘合劑的晶片粘合工藝。通過這一技術(shù)并采用倏逝波耦合方式，我們研制了SOI基InGaAs PIN型探測器。在器件設(shè)計階段，為了消除電極對光的有害吸收以及滿足光耦合的相位匹配條件，分別對電極結(jié)構(gòu)和