基于微環(huán)諧振器濾波特性的硅基光子器件研究.pdf

1、半導體微電子行業(yè)經(jīng)歷了近50年的飛躍發(fā)展，如今在單個集成電路芯片上集成的邏輯門超過千萬個。然而，長期以來光電子器件主要被Ⅲ-Ⅴ族材料所統(tǒng)治，如何復制硅材料在微電子領(lǐng)域取得的巨大成功，使用這種間接帶隙材料實現(xiàn)低成本、高密度集成的光子器件，是從事硅光子研究人員不懈努力的方向。
　　絕緣襯底上硅(SOI，Silicon on Insulator)材料具有高折射率差，可在CMOS（Complementary-Metal-Oxide-Sem

2、iconductor）兼容工藝下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的光子器件。且硅材料具有良好的熱光效應和等離子色散效應，可用來實現(xiàn)對光子器件的調(diào)諧控制。由環(huán)形光波導和直光波導耦合而成的微環(huán)諧振器是一個結(jié)構(gòu)緊湊的光學濾波器，它可以用來構(gòu)建多種不同用途的集成光學器件，包括光調(diào)制器、光開關(guān)、光插分復用器、光路由器、光傳感器等。
　　本論文以硅基微環(huán)諧振器為基本單元，對利用其濾波特性構(gòu)建的箱型濾波器、波長選擇光路由器以及Fano諧振器進行了理論研究和實驗驗證

3、。主要的內(nèi)容包含以下幾個方面:
　　1.設計了半徑為10μm的二階、三階硅基串聯(lián)微環(huán)濾波器，采用CMOS兼容工藝完成器件的制作。測試結(jié)果表明，器件能實現(xiàn)箱型濾波特性。二階串聯(lián)硅基微環(huán)濾波器的下路譜線頂部平坦，帶內(nèi)的功率起伏僅有0.11dB左右，3dB帶寬約為0.31nm，消光比超過35dB，插損約為0.4dB。三階微環(huán)濾波器下路端譜線3dB帶寬為0.38nm，插損小于0.9dB，消光比超過39.5dB。三階微環(huán)濾波器在熱電極控制下

4、可以實現(xiàn)整個FSR范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，熱調(diào)諧效率為48.4mW/nm。動態(tài)響應特性測試結(jié)果顯示，濾波器通道切換時間小于12.63μs。
　　2.對光互連網(wǎng)絡中的核心器件光路由器進行了深入研究。通過構(gòu)建八端口路由器為例，給出了一種利用無源微環(huán)上下話路濾波器構(gòu)建N端口非阻塞波長選擇光路由器的通用設計方法。設計并實現(xiàn)了基于硅材料的四端口波長選擇路由器。在實驗測試得到的光傳輸譜線中，可以觀測到該四端口路由器的12條路由光鏈路，它可以支持包含

5、4個廣播模式在內(nèi)的13個非阻塞工作狀態(tài)，所有通道間最差串擾約為-10dB。在測試的光譜范圍內(nèi)，利用微環(huán)的梳妝濾波(combfilter)特性能實現(xiàn)4組工作波長的同時路由，將器件的信息吞吐量提高4倍。為優(yōu)化器件的串擾和插損，設計并實現(xiàn)了基于雙環(huán)耦合交叉波導的硅基四端口路由器。測試結(jié)果顯示，器件通道間最差的串擾大幅度降低，約為-21.56dB。部分光鏈路的插損可減小0.61dB。但該結(jié)構(gòu)破壞了微環(huán)諧振器的comb特性，不可實現(xiàn)多組工作波長同

6、時路由。因此，最后提出了性能更優(yōu)越的基于串聯(lián)雙環(huán)箱型濾波器的硅基四端口波長選擇路由器結(jié)構(gòu)。
　　3.研究了光諧振器中Fano譜線產(chǎn)生的原理，在SOI材料上實現(xiàn)了一個可以產(chǎn)生并控制Fano譜線形狀的諧振系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，F(xiàn)ano諧振譜線來源于在微環(huán)諧振器中諧振的兩束光的干涉。Fano諧振譜線的線形可以通過控制這兩束相干光進入微環(huán)諧振器前的相位差來進行調(diào)節(jié)。當相位差為0.5π或1.5π時，F(xiàn)ano諧振譜線具有最大斜率和高消光比。實驗