硅基周期波導(dǎo)微腔集成光器件的研究.pdf

1、硅基光子學(xué)在近幾年來(lái)得到飛速的發(fā)展，它被認(rèn)為是最具實(shí)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ募晒饧夹g(shù)。一方面，人們對(duì)硅的認(rèn)識(shí)和利用的歷史較為悠久。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，硅的制備、加工技術(shù)非常成熟，這有利于使用現(xiàn)有的商用基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)，減小芯片開(kāi)發(fā)的成本。其次，由于在硅上制作光子器件的工藝兼容于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使其能夠和已經(jīng)十分成熟的集成電路技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)在單一芯片上集成所需的各種功能。當(dāng)然，在制作硅有源光器件如激光器、探測(cè)器等方面還存在一定困難，但最近

2、的研究表明可以通過(guò)鍵合技術(shù)或外延生長(zhǎng)等技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)硅材料在這幾方面的不足。絕緣層上硅(SOI)是一種較理想的高折射率對(duì)比的材料平臺(tái)，這對(duì)于減小光器件的尺寸非常有利。但是，由于光波導(dǎo)器件受限于衍射極限，典型的傳統(tǒng)光波導(dǎo)器件比同一硅襯底上集成的電子器件的尺寸大的多。90年代初提出的光子晶體技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)甚至亞波長(zhǎng)量級(jí)的光子器件，這為大規(guī)模光子器件的集成提供了一種極具潛力的技術(shù)方向。在SOI平臺(tái)上利用現(xiàn)有加工技術(shù)最容易制作的光子晶體器件

3、包括二維周期結(jié)構(gòu)的光子晶體平板和一維周期結(jié)構(gòu)的周期介質(zhì)波導(dǎo)。通過(guò)在這些結(jié)構(gòu)中引入線(xiàn)缺陷或點(diǎn)缺陷，就可以形成光子晶體波導(dǎo)組件或光子晶體微腔，在這基礎(chǔ)上可以構(gòu)建尺寸極緊湊的各種功能器件。與平板光子晶體微腔相比，周期介質(zhì)波導(dǎo)微腔通常結(jié)構(gòu)更加緊湊，模式體積更小，而且更容易加工實(shí)現(xiàn)。
　　 本文基于SOI材料平臺(tái)，對(duì)極小模式體積(V)-高品質(zhì)因子(Q)硅基周期波導(dǎo)微腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及基于該類(lèi)型微腔的器件進(jìn)行了較廣泛的研究，并在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行

4、了一些初步的探索和嘗試。主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.從平板波導(dǎo)的麥克斯韋方程解出發(fā)，推導(dǎo)了對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)平板波導(dǎo)模式限制的極限即最小導(dǎo)模模場(chǎng)尺寸，給出了最小模斑的尺寸及其波導(dǎo)尺寸條件的公式。該部分的結(jié)果為后繼章節(jié)研究亞波長(zhǎng)模式體積的波導(dǎo)微腔提供一個(gè)理論參考，對(duì)于大規(guī)模集成波導(dǎo)陣列的設(shè)計(jì)亦有一定指定意義。
　　 2.提出和分析了一種基于混合表面等離子波的周期介質(zhì)波導(dǎo)微腔。利用混合表面等離子波導(dǎo)深亞波長(zhǎng)的模式限

5、制以及低損耗的特性，設(shè)計(jì)出Q值超過(guò)2000的波導(dǎo)微腔，且實(shí)現(xiàn)了Q/V值11倍的提升。據(jù)我們所知，本文得到的Q值是目前見(jiàn)諸報(bào)道的表面等離子波微腔中最高的。
　　 3.提出和分析了一類(lèi)基于狹縫和空芯波導(dǎo)的高Q值低模式體積的低折射率周期波導(dǎo)微腔。由于該結(jié)構(gòu)完全基于介質(zhì)材料，沒(méi)有如第二章所研究的混合表面等離子波導(dǎo)微腔所具有金屬本征吸收損耗，因此這種低折射率芯的全介質(zhì)波導(dǎo)微腔可以獲得Q值超過(guò)105或更高，模式體積為10-2(λ/2n)3數(shù)

6、量級(jí)。
　　 4.提出和設(shè)計(jì)了一種基于周期介質(zhì)波導(dǎo)微腔的超緊湊通道下載濾波器。使用時(shí)域耦合模理論分析了該濾波器響應(yīng)特性，推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)完全下載以及入射端口無(wú)反射的條件。有限差分時(shí)域方法計(jì)算表明下載效率超過(guò)99％，典型的器件尺寸僅為7μm或14μm。
　　 5.針對(duì)本文提出的周期波導(dǎo)微腔器件結(jié)構(gòu)，采用電子束光刻結(jié)合感應(yīng)耦合等離子刻蝕等加工工藝，在SOI平臺(tái)上初步制作了一些基本的波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)，采用垂直光纖-光柵耦合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)