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二维光子晶体波导的延时特性

张耕砚  
【摘要】:光子晶体波导(PCWG)具有器件体积小、设计灵活、易于集成等优点。它特有的基于异常色散的慢光效应有望在相控波束成形系统中为信号提供所需的延时与相移,在实现光学真延时(OTTD)器件的小型化、集成化方面具有重要的应用前景。本论文选题结合国家自然科学基金重点和973项目,对二维平板光子晶体波导的延时特性进行了理论和实验研究。 理论计算分析了光子晶体波导中群速度、二阶色散、传输损耗等参数对波导传输和延时性能的影响,明确了延时应用对波导长度、损耗水平等参数的要求;针对慢光区损耗增大限制延时量增加的问题,提出在光子晶体波导中引入增益机制补偿损耗的方案,并建立数值计算模型,分析了有源光子晶体波导中慢光对波导增益的增强作用,论证了有源波导进行损耗补偿的可行性。 理论研究表明,工艺误差引起的慢光区辐射与散射损耗是限制延时量的关键原因。本论文研究了硅基光子晶体波导的制备工艺。通过实验获得了Bias功率、ICP功率、刻蚀时间等工艺参数对ICP刻蚀结果的影响规律;通过将刻蚀时间的容差范围由5s提高至15s,改进了刻蚀质量和工艺稳定性,在此基础上获得了形状、孔径均匀,侧壁垂直、深度达到220nm的小孔刻蚀结果;同时,改进了空气桥结构的光刻与湿法刻蚀工艺,提高了工艺的可靠性与稳定性;制备出长度500μm、慢光波段位于1550nm附近、损耗30dB的空气桥结构光子晶体波导,为光学真延时特性的测试奠定了基础。 通过对光子晶体波导透射谱的测试,验证了缺陷模式、光子禁带、截止波长、慢光区域的位置随结构参数的变化规律,为波导参数设计提供了依据;搭建光学真延时测试平台,采用时域调制相移的方法测量了光子晶体波导的延时特性,利用长度475μm的光子晶体波导实现了10GHz微波信号的25ps延时,对应群速度vg≈c/25,输出信号无明显畸变。


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