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硅基微环谐振器的特性及应用研究

王勉  
【摘要】:波导器件的微型化、集成化和规模化已经成为现代光电信息技术不断发展的核心。绝缘衬底上硅的折射率差较大、约束电磁场的能力强,可作为微环谐振器的有效制作材料。基于绝缘体上硅的微环谐振器具有高品质因数、尺寸小、高灵敏度、易于集成等优点,其平面波导的纳米量级结构十分适用于大规模光电集成系统,被广泛用于构成各种功能器件,包括滤波器、传感器、延迟线、逻辑门、调制器、缓存器、激光器、波分复用器等。另外,微环的谐振效应可以提高其在传感应用领域方面的灵敏度。本文以滤波器、传感器、慢光效应为应用背景,对微环谐振器的传输特性、延迟特性以及传感应用做了系统性的研究,主要完成以下几个方面:简介硅基微环谐振器,论述微环谐振器的发展现状、制造工艺、分类、应用以及本文的选题背景。基于耦合模式理论,来研究微环的理论基础,推导直波导与弯曲波导的耦合关系,建立了全通型和上下话路型微环谐振腔的参量模型,推导器件的主要参数如消光比和品质因数的表达式。基于耦合模式理论,利用传输矩阵法来研究多微环的理论基础,分析弯曲波导之间的耦合关系,在之前的单微环基础上解析级联型以及阵列型微环谐振器的传输矩阵模型,解析多微环结构的传输特性,分析微环结构中的串联个数、并联个数、阵列行数奇偶性以及阵列微环列间距这四个方面对其传输特性的影响。分析串联微环个数对微环谐振器延迟特性的影响,然后深入研究耦合系数、环程传输系数分别对单微环、串联微环的延迟特性的影响,发现多微环中的简并现象。利用微环谐振器的谐振漂移效应,深入研究基于微环的温度传感应用。通过研究发现,微环的谐振波长与有效折射率成线性相关,而有效折射率会随着温度而做线性变化,因此,可以得到微环谐振器的谐振波长与温度的关系。通过理论仿真,计算半径为10μm上下话路型微环谐振器在不同温度下的谐振波长,温度调谐的灵敏度为100.73 pmK,在50K的温度变化范围内。在剖析以上关系的基础上,还进一步研究了硅基微环的有效折射率和环程传输系数对谐振温漂灵敏度的影响。然后研究了微环输入输出耦合结构,即利用高耦合效率的垂直耦合光栅和绝热的锥形波导来实现对微环的耦合输入输出。最后介绍了微环的一般制作工艺流程,以及制作微环所用到的相关技术,包括电子束光刻、干法刻蚀工艺、氧化硅生长等技术。


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