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硅基微纳光波导集成型滤波器与光电探测器研究

盛振  
【摘要】:信息和通信技术的发展彻底改变了人们的思维方式和生活方式,促进了经济和社会的飞速发展。而光通信的诸多优势使得人们希望这项技术不仅仅局限于长距离通信方面的应用,而应该延伸至中短距离通信以及互连领域。由此,光通信及光互连中大量使用的集成光电子器件的研究吸引了越来越多的注意力。在降低成本和提高性能的愿望驱使下,集成光电子器件朝着高集成度的方向不断发展。在减小器件尺寸方面,采用高折射率差的光波导成为最直接有效的途径;在功能集成方面,将所有光功能集成在硅基材料中具有无可比拟的成本优势和诱人的发展前景。本论文紧紧围绕提高集成度的上述两个方面展开研究和讨论。 首先回顾了光波导基本理论,在用解析方法求解平板波导的同时介绍了波导的各种重要概念。为了精确求解复杂的光波导及其集成器件问题,必须采用数值模拟方法。对各种常用数值计算方法进行了介绍,包括有限差分方法、光束传播方法和时域有限差分方法。 研究了三种新型硅基强限制微纳光波导。通过调试并改进深刻蚀工艺,成功制作出了深刻蚀二氧化硅脊形光波导,实验中验证了这种波导可承受数十微米的弯曲半径,具有提高器件集成度的巨大潜力。根据不同的波导宽度,其传播损耗为0.33~0.81dB/mm,而侧壁散射是传播损耗的主要来源。基于这种波导,制作出了多模干涉耦合器,初步探索其在制作实际器件方面的应用价值。为了降低成本,制作并测试了SU-8聚合物脊形光波导及器件,如Y分支、微环谐振器、阵列波导光栅等。研究了硅纳米线光波导在极小弯曲半径下的弯曲损耗特性。通过比较各种数值计算方法,确定三维时域有限差分方法在此计算中是必要且可行的,并由此计算出弯曲损耗随波导尺寸和结构的变化关系。还进一步给出了微环谐振器的本征Q值与弯曲半径的关系。 基于硅纳米线光波导,本文研究了阵列波导光栅、微环谐振器等两种典型集成光滤波器。首先对硅纳米线阵列波导光栅进行了优化设计。通过在阵列波导末端引入双锥形辅助波导,并采用新型混合方法对辅助波导进行快速而精确的结构优化,有效改进了器件的通道均匀性。在不增加器件尺寸的情况下,使阵列波导光栅的可用通道数增加了50%。而为了采用硅纳米线光波导实现超高密度波分复用器(通道间隔0.1nm),我们选用微环谐振器阵列这一设计方案。通过合理设计,使单个微环谐振器的光谱响应达到系统要求,制作出的器件的Q值为4×104。考虑到实验工艺误差,我们还制作了微加热器,通过热光调谐的方式分别调节每个单元的谐振波长,从而使相邻微环谐振器的谐振波长间隔符合设计值0.1nm。实验结果表明,热光调谐方式可以方便的实现这一目标,且几乎不会改变原有的光谱响应形状。 为了降低光集成器件的成本及满足多功能集成的要求,需要把各种光功能器件集成在硅基材料上。由此引入了Ⅲ-Ⅴ族材料和硅基的异质集成技术。我们对异质集成技术的研究现状进行了讨论,并重点介绍本文所采用的以BCB聚合物为粘合剂的晶片粘合工艺。通过这一技术并采用倏逝波耦合方式,我们研制了SOI基InGaAs PIN型探测器。在器件设计阶段,为了消除电极对光的有害吸收以及满足光耦合的相位匹配条件,分别对电极结构和本征吸收层厚度进行了改进或优化。制作出的器件具有优良的性能:暗电流~10pA,响应率1.1A/W,并且响应谱宽可以覆盖整个S、C、L通信波段。


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