新型亞波長(zhǎng)光柵及其在通信光探測(cè)器中應(yīng)用的研究.pdf

1、本工作圍繞亞波長(zhǎng)光柵（SWG）展開(kāi)，這種衍射光學(xué)元件周期長(zhǎng)度小于入射光波長(zhǎng)，只有零級(jí)衍射波才可以傳導(dǎo)，其余的高級(jí)次衍射波均為倏逝波。SWG可視為一種特殊薄膜，其折射率為具有周期分布折射率的光柵層的平均折射率，調(diào)整SWG結(jié)構(gòu)參數(shù)，使折射率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可變。對(duì)入射光波長(zhǎng)或入射角等物理量的微小的變化，SWG的衍射波的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。
　　 論文研究了工作在光通信C波段的InP基SWG，SWG周期小于1.55μm，采用電子束光刻（E

2、BL）工藝實(shí)現(xiàn)精確加工以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。建立SWG分析模型，利用導(dǎo)模共振異常效應(yīng)，將SWG設(shè)計(jì)成高性能反射諧振濾波器，將其集成到通信用諧振腔增強(qiáng)型光探測(cè)器（RCEPD）中。通過(guò)提升RCE PD性能，有助于推動(dòng)光纖通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。
　　 主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.對(duì)具有一維、二維周期分布的SWG（簡(jiǎn)稱：1D—SWG，2D—SWG），以及具有分布布喇格反射鏡（DBR）堆棧膜系的SWG的衍射特性進(jìn)行研究，理論分

3、析方法是嚴(yán)格耦合波分析法（RCWA），時(shí)域有限差分方法（FDTD）和平面波展開(kāi)法（PWE）。其中RCWA是嚴(yán)格的解析分析法，精度高，計(jì)算速度快。FDTD作為數(shù)值方法，用計(jì)算時(shí)間和計(jì)算空間的代價(jià)彌補(bǔ)RCWA的不足，便于對(duì)有限周期分布的SWG結(jié)構(gòu)分析，RCWA與FDTD綜合使用保證仿真結(jié)果可靠性又可提高計(jì)算效率。PWE方法可從能帶的角度分析SWG的濾波本質(zhì)。
　　 2.編寫程序?qū)崿F(xiàn)上述理論分析，可對(duì)SWG的衍射效率以及集成了SWG的

4、RCE PD性能的分析，與已有文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了可靠性?？梢苑治鯯WG衍射效率、光探測(cè)器中光場(chǎng)分布、量子效率、串?dāng)_衰減、沖擊響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。
　　 3.提出將SWG與InP系DBR集成，使SWG具有寬帶濾波效果，以便適應(yīng)工作在光通信C波段的InP材料系。RCWA與FDTD互補(bǔ)使用，用PWE進(jìn)行能帶分析，研究一維、二維周期分布的SWG，以及具有分布布喇格反射鏡（DBR）堆棧膜系的SWG的衍射特性與其周期

5、、厚度、占空比等參數(shù)的關(guān)系。對(duì)于2D—SWG綜合RCWA、FDTD）方法設(shè)計(jì)出反射率高于99％、波長(zhǎng)區(qū)間在1.47μm～1.5μm、峰值反射率大于99.9％的反射式濾波器。
　　 4.提出將SWG以反射式諧振濾波器的形式應(yīng)用于InP系材料構(gòu)成的RCE PD中。該種光探測(cè)器工作在C波段，用于WDM光通信系統(tǒng)解復(fù)用光接收機(jī)。理論分析探測(cè)器中光場(chǎng)分布、量子效率、串?dāng)_衰減、沖擊響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。設(shè)計(jì)的RCE PD類型如

6、下：
　　 1）具有一個(gè)一維周期分布的SWG；
　　 2）具有一個(gè)二維周期分布的SWG；
　　 3）具有兩個(gè)一維周期分布的SWG。
　　 5.重點(diǎn)針對(duì)便于工藝實(shí)現(xiàn)的具有一個(gè)2D—SWG的RCE PD，通過(guò)研究其內(nèi)部呈現(xiàn)駐波效應(yīng)的光場(chǎng)，指導(dǎo)吸收層位置的設(shè)置。理論分析表明SWG的引入使InP系材料反射鏡所需的介質(zhì)層數(shù)小于10對(duì)，有望解決InGaAsP/InP系DBR反射率低、反射帶寬窄的問(wèn)題，器件量子效率超過(guò)

7、90％。臺(tái)面尺寸為30μm×30μm的具有一個(gè)1D—SWG的RCE PD3dB帶寬仿真結(jié)果為15GHz。
　　 6.在實(shí)驗(yàn)上，與外單位合作，采用外延技術(shù)、EBL技術(shù)以及感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕技術(shù)，制備出InP基SWG結(jié)構(gòu)，可以滿足具有優(yōu)化性能所需要的SWG的尺寸：SWG厚度265nm，周期為1.4μm，占空比為33％，粗糙起伏的平均高度從150nm減小到40nm左右。
　　 7.設(shè)計(jì)并制備了針對(duì)具有SWG結(jié)構(gòu)的半

8、導(dǎo)體光探測(cè)器光刻掩膜版圖，為配合SWG的結(jié)構(gòu)，引入方形臺(tái)面，加入了小尺寸倒”T”型對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和光柵掩膜層。
　　 8.與他人合作，進(jìn)行納米線制備測(cè)試工作，完成了關(guān)于制備納米線所需的Au—Ga合金納米顆粒的原子力顯微鏡（Atomic ForceMicroscopy：AFM）測(cè)試，測(cè)試表明在不同的Au薄膜濺射厚度條件下，納米顆粒密度分別為1.64x1010cm-2，1.26x1010cm-2，2.2x109cm-2，掃描電子顯微鏡（S

9、canning Electron Microscopy：SEM）測(cè)試表明GaAs納米線的平均長(zhǎng)度分別為5.2μm，5.3μm，6.3μm，密度大于109cm-2。
　　 9.根據(jù)微柵尺寸和SEM測(cè)試結(jié)果估算了透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy：TEM）測(cè)試所用GaAs納米線樣品面積只需1c㎡。用TEM測(cè)得了直徑分別為24nm，68nm和168nm的GaAs納米線樣品的形貌。分析納米線