硅基微納波導(dǎo)器件研究.pdf

1、硅作為微電子產(chǎn)業(yè)的基石，在光通信波段展現(xiàn)了近乎透明的信號(hào)傳輸能力。光擔(dān)任信息時(shí)代的使者，肩負(fù)著克服“電子傳輸瓶頸”的使命。兩者的結(jié)合不但可以實(shí)現(xiàn)片上的光電集成以期在更短的傳輸距離上由光接替電實(shí)現(xiàn)更大帶寬的數(shù)據(jù)交換，也使得傳統(tǒng)的分立光器件可以利用成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝進(jìn)行小尺寸、低成本的規(guī)?；a(chǎn)。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷積累以及市場(chǎng)需求的逐漸顯現(xiàn)，對(duì)于硅基光子學(xué)的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。其應(yīng)用潛力也覆蓋了從光通信用光

2、模塊、芯片級(jí)光互聯(lián)、光學(xué)生物傳感、非線性光學(xué)到微波光子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。而所有這些基于硅光技術(shù)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)的前提都是要設(shè)計(jì)并制備出高性能的硅基微納波導(dǎo)器件。本論文針對(duì)其中的一些應(yīng)用設(shè)計(jì)并展示了幾種新型的硅基微納波導(dǎo)器件，主要包括：
　　(1)理論設(shè)計(jì)了兩種硅基耦合微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)提高高速寬帶信號(hào)的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。兩種器件結(jié)構(gòu)通過(guò)針對(duì)參與四波混頻過(guò)程的相互作用光波設(shè)計(jì)不同的諧振帶寬及光場(chǎng)倍增因子達(dá)到了改善帶寬與轉(zhuǎn)換效率間限制的目的。

3、計(jì)算結(jié)果表明相比于具有相同光程的硅基單微環(huán)諧振器，兩種器件結(jié)構(gòu)能夠分別獲得5dB和14dB的轉(zhuǎn)換效率提升。同時(shí)，兩個(gè)器件的下載端都實(shí)現(xiàn)了高于17dB的自濾波泵浦抑制。
　　(2)理論設(shè)計(jì)了一種反射率可調(diào)的硅基單波長(zhǎng)反射器。在忽略損耗的理想情況下，該器件能夠在保證峰值反射波長(zhǎng)不變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)反射率從0到1的調(diào)諧。此外，通過(guò)結(jié)合所設(shè)計(jì)的單波長(zhǎng)反射器與基于微環(huán)的可調(diào)光延時(shí)器建議了一種片上可重構(gòu)的光相關(guān)器結(jié)構(gòu)。該光相關(guān)器可用于實(shí)現(xiàn)光分組交換

4、網(wǎng)絡(luò)中的分組頭信息識(shí)別功能。
　　(3)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)制備了一種硅基空氣模光子晶體微環(huán)諧振器。該器件能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)微環(huán)諧振和光子晶體慢光所產(chǎn)生的光和物質(zhì)相互作用的增強(qiáng)。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)器件工作在光子晶體的空氣帶，光場(chǎng)被更多地壓縮進(jìn)了光子晶體孔中。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的器件的最高Q值約為14600，其最大群折射率值約為27.3。仿真結(jié)果表明相比于工作在介質(zhì)帶的光子晶體微環(huán)諧振器，該器件的光子晶體孔中的光場(chǎng)限制比提高了近6.4倍。通過(guò)結(jié)合功能性材料，該器

5、件有希望用于光學(xué)生物傳感、片上光發(fā)射和非線性光學(xué)等應(yīng)用。
　　(4)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)制備了一種諧振間隔可調(diào)的硅基單微環(huán)諧振器。該器件通過(guò)在微環(huán)內(nèi)引入反射率可調(diào)的反射元使得微環(huán)中兩個(gè)反向傳輸?shù)念l率簡(jiǎn)并諧振模發(fā)生耦合，從而實(shí)現(xiàn)了諧振間隔的調(diào)諧。所制備的器件在9.82mW的加熱功耗內(nèi)完成了從零到一整個(gè)自由光譜范圍的諧振間隔調(diào)諧。此外，該器件還可用于實(shí)現(xiàn)平頂?shù)膸ё铻V波。這種器件結(jié)構(gòu)所展示的諧振間隔和諧振譜形的調(diào)諧能力使得其適合于可重構(gòu)光學(xué)濾波以

6、及微波光子學(xué)等應(yīng)用。
　　(5)理論及實(shí)驗(yàn)證實(shí)了硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)強(qiáng)的非線性容忍度。首先，基于波導(dǎo)截面的光場(chǎng)模式分布計(jì)算了其等效非線性系數(shù)。相比于硅基條波導(dǎo)，亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)展現(xiàn)了超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性系數(shù)減小。隨后，通過(guò)結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)與高階調(diào)制格式，在實(shí)驗(yàn)制備的硅基亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)上完成了75個(gè)波長(zhǎng)通道總速率達(dá)2.86Tbit/s的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸測(cè)試。相比于具有相同長(zhǎng)度的硅基條波導(dǎo)，該亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)的最佳信號(hào)輸入功率提高了近8dB，

7、表明了其對(duì)非線性傳輸損傷更強(qiáng)的容忍度。
　　(6)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)制備了兩種工作在O波段的四通道氮化硅波分復(fù)用器件。器件采用級(jí)聯(lián)馬赫曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平頂?shù)姆植ê喜ㄇ彝ǖ啦ㄩL(zhǎng)分別滿足局域網(wǎng)波分復(fù)用(LAN WDM)和粗波分復(fù)用(CWDM)的光接口規(guī)范要求。兩種器件中，各通道的插損均小于1.8dB，通道間串?dāng)_低于-15dB，1dB通帶帶寬超過(guò)了通道間隔的59％。另外，由于氮化硅材料具有較小的熱光系數(shù)，兩種波分復(fù)用器件展示了約18.5p