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《浙江大学》 2010年
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硅基光子无源集成器件以及混合集成平台的研究

王喆超  
【摘要】:经过多年发展,硅光子学如今已经成为受到广泛关注的热点研究领域。利用硅的高折射率差和成熟的制造工艺,硅光子学被认为是实现高集成度光子芯片的最佳选择。但是,硅光子学也有其固有的缺点,比如缺乏高效的硅基有源器件,极低的光纤-波导耦合效率以及硅基波导显著的偏振相关性等都制约着硅光子学的进一步发展。本论文针对这些问题,试图通过新的尝试给出一些全新的解决方案。 首先我们回顾了一些光波导的数值算法,并在此基础上开发了一个基于柱坐标系的有限差分模式分析器,它非常适合于分析弯曲波导的本征模场。对于复杂光子器件结构的分析,我们主要利用时域有限差分以及波束传播法等数值工具。 接着我们回顾了硅基光子器件各项主要的制造工艺和测试技术。重点介绍了几种基于超净室设备的关键工艺,如等离子增强化学气相沉积,电子束光刻以及等离子体干法刻蚀。为了同时获得较高的耦合效率以及较大的对准容差,本论文主要利用垂直耦合系统作为光子器件的主要测试方法。 针对不同的硅波导结构,我们提出并且实验验证了两款新型耦合器以提高硅波导的耦合效率。一款基于非均匀光栅的垂直耦合器,在实验中,我们得到了超过60%的光纤-波导耦合效率。此外,我们还开发了一款用以实现硅条形波导和狭缝波导之间高效耦合的新型耦合器,理论设计和实验结果都证明该耦合器可以实现两种波导之间的无损光耦合。 为了消除硅基无源器件显著的偏振相关性,我们首先利用一种特殊的三明治结构波导,通过优化多层结构,成功消除了一个超小型微环谐振器中心波长的偏振相关性。同时,我们分析了另外一种可以有效消除偏振相关性的偏振分级方案,并提出了两种新型结构以实现该方案中的两种关键元件。通过理论分析以及实验验证,一个基于一维光栅的偏振分束器被证明能够实现两种偏振光的有效分离。该分束器同时还能作为光纤与硅波导之间的高效耦合器。实验中我们获得了超过50%的耦合效率以及低于-20dB的偏振串扰。我们还对一个基于硅条形波导的超小型偏振旋转器进行了理论分析,该器件能够实现100%的偏转转化效率,并拥有较大的制造容差。 在本论文中,我们还对利用侧向外延生长技术实现Ⅲ-Ⅴ材料与硅材料混集成的可行性进行了初步分析,并优化了诸如氢化物气相外延,化学物理抛光等关键工艺。在该方案中,二氧化硅掩膜被用来阻止InP种子层中的线位错在外延生长中的传播。初步实验结果和理论分析证明该集成平台对于实现InP和硅材料的混合集成具有很大的吸引力。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN256

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