面向片上光互連的硅基無源器件研究.pdf

1、隨著話音業(yè)務的激增和各種數據、圖像新業(yè)務的涌現(xiàn)，特別是FTTH和IP網絡技術的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)的信息容量與處理速度呈現(xiàn)爆炸性增長態(tài)勢。而基于金屬傳導的電互連技術面臨嚴重的熱耗散與不可逾越的電子瓶頸，已越來越不適應信息存儲、信息傳輸、信息處理的高速率高帶寬需求。以光子作為信息載體，以波導作為傳輸媒介，在芯片內部以光互連取代電互連，實現(xiàn)片上高密度、高速率的數據傳輸，是突破電互連性能瓶頸的有力手段。平面光學器件的研制，以及彼此之間的相互集成

2、，是實現(xiàn)片上光互連的前提。以硅為主要材料的硅基光子學，因微電子行業(yè)的推動，研究人員對硅材料認知的加深以及硅基兼容技術的逐漸成熟，被認為是最有希望的光互連平臺。本論文以硅基光互連芯片中的兩種關鍵無源器件——波長轉換器、波分復用器件作為研究目標。
　　首先，我們介紹了硅基波導的分類以及主要數值仿真方法，并采用時域有限差分方法對條形波導、狹縫波導的模場分布、線性傳輸性質進行了分析。隨后，介紹了SOI波導中的幾種重要非線性現(xiàn)象。
　

3、　接著，我們介紹了硅基波導的制作方法與測試，包括關鍵設備、重要工藝流程、測試方法與耦合平臺。
　　在對硅納米線波導研究的基礎上，本論文對基于四波混頻效應FWM的硅基波長轉換器、硅基波分復用器件進行了研究。波長轉換器可以有效解決通信網絡的波長連續(xù)性問題，增加片上光互連的通信帶寬，提高光網絡的波長使用效率。為提高硅基波長轉換器的轉換效率，本論文從增強非線性系數與調控相位失配兩方面著手。對于前者，本論文設計了一種高非線性水平狹縫波導，其

4、非線性系數達到-1-14100W m，為相同結構尺寸下條形波導的20倍。對與后者，本論文提出了兩種準相位匹配方案——相位失配交替方案PMS與相位失配補償方案PMC，用于調控相位失配，提高目標波長處的轉換效率。結果表明，PMS、PMC方案分別將轉換效率提高了11.3dB、18.3dB。隨后，本論文研究了雙泵浦條件下，PMS、PMC方案的轉換性能。功率較低的情況下，非簡并FWM比簡并FWM更易獲得較高轉換效率。除此之外，本論文還提出一種增強

5、型相位匹配補償方案EPMC，用于進一步提升能量轉移強度，提高轉換性能。計算結果表明，EMPC方案中FWM效率達到-11.3dB，3-dB帶寬為516nm。
　　波分復用/解復用器是片上光互連的核心，它對于實現(xiàn)多路光的合波與分波，增強通信帶寬有著極為重要的作用?，F(xiàn)有的光學設計方法限制了設計者獲得更高集成度、更優(yōu)性能的平面集成光學器件。超材料結構在亞波長尺度調控介電常數，為高效光子調控提供了一種新思路。為消除干法刻蝕過程中遲滯效應對刻