基于微環(huán)諧振腔可調(diào)特性的硅光子應(yīng)用研究.pdf

1、微環(huán)諧振腔是一種非常巧妙的諧振結(jié)構(gòu)，它利用光波導(dǎo)構(gòu)成光學(xué)回路形成反饋，從而對(duì)某些特定波長(zhǎng)的光的輸出產(chǎn)生影響。相對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)微環(huán)諧振腔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高的特點(diǎn)。以絕緣襯底上的硅材料(Silicon-on-insulator,SOI)為平臺(tái)制作微環(huán)器件，工藝與CMOS工藝相兼容，大規(guī)模生產(chǎn)可以極大地降低光子器件的成本。具有差異才能產(chǎn)生信息，所以可調(diào)特性應(yīng)是信息器件所必備的核心特性。硅材料具有良好的熱光效應(yīng)和載流子色散效應(yīng):利用熱光效

2、應(yīng)，可以對(duì)硅的折射率大范圍調(diào)節(jié);利用載流子色散效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)十GBit/s的高速調(diào)制。長(zhǎng)期以來人們對(duì)硅基微環(huán)的基本特性進(jìn)行了廣泛而深入的研究，但是應(yīng)用的多樣性需求對(duì)基于硅材料微環(huán)集成芯片的研究來說仍是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的課題。
　　本論文主要以硅基微環(huán)諧振腔為基本單元，利用其可調(diào)效應(yīng)，對(duì)集成光鏈路、集成光傳感器以及傳感解調(diào)器等若干光電子器件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。其主要?jiǎng)?chuàng)新和特色工作在于:
　　1.針對(duì)目前光互連領(lǐng)域?qū)τ谕?/p>

3、信容量和速度的需求，提出了基于微環(huán)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)光學(xué)鏈路的概念，通過熱光效應(yīng)，對(duì)微環(huán)調(diào)制器和濾波器的工作波長(zhǎng)進(jìn)行控制。這種結(jié)構(gòu)一方面可以利用工作通道的可重構(gòu)特性使同一物理光鏈路在不同時(shí)刻工作在不同波長(zhǎng)通道，提高光波分復(fù)用系統(tǒng)的靈活性和通道利用效率，非常適合應(yīng)用于波分復(fù)用系統(tǒng)當(dāng)中;另一方面，微環(huán)的工藝制作誤差可以通過熱光效應(yīng)得到補(bǔ)償，使信道的誤碼率和通道間的串?dāng)_得到改善。此外，這里所提出的可重構(gòu)光鏈路中的微環(huán)調(diào)制器采用等離子體色散型電極，確

4、保了對(duì)信號(hào)的高速調(diào)制;并且，光鏈路中的濾波器為二階串聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)一階微環(huán)濾波器帶寬較窄，串?dāng)_過高的弊端。進(jìn)一步地，本論文利用新加坡微電子研究所提供的CMOS兼容工藝對(duì)提出的器件進(jìn)行了制作和測(cè)試，制作的光鏈路中微環(huán)調(diào)制器和濾波器分別以3.9mW/nm和5.9mW/nm的加熱效率實(shí)現(xiàn)了在0.8nm波長(zhǎng)間隔的通道之間的重構(gòu)，且利用熱光電極實(shí)現(xiàn)的通道切換速度達(dá)到5kHz;此外，由于采用了二階串聯(lián)雙環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)，所形成通道的3-dB

5、帶寬等于0.57nm，通道間串?dāng)_小于-20dB。
　　2.針對(duì)高性能傳感器的應(yīng)用需要，提出利用眼型微環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱Fano諧振特性提高基于微環(huán)的光學(xué)傳感分辨率和探測(cè)范圍。本論文利用轉(zhuǎn)移矩陣法和時(shí)域有限差分法對(duì)這一結(jié)構(gòu)所形成Fano諧振的物理本質(zhì)和特性進(jìn)行了深入的研究，指出利用眼型微環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱Fano諧振可以在相同的插入損耗下有效地提高下路端光譜尖銳度;并且該結(jié)構(gòu)還可以大幅度提高下路端光譜的消光比。為了使該理論在實(shí)踐上得

6、到證明，本論文利用比利時(shí)IMEC硅光子工藝線制作了眼型微環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)并與傳統(tǒng)的一階上下路微環(huán)濾波器的諧振特性做了對(duì)比。結(jié)果表明:眼型嵌套微環(huán)結(jié)構(gòu)下路端光譜的尖銳度相對(duì)傳統(tǒng)的一階上下路微環(huán)濾波器提高了約3倍，消光比提高了約20dB。光譜尖銳度的提高意味著在同樣的測(cè)試條件下能夠分辨更小的光譜移動(dòng)，提升了波長(zhǎng)調(diào)制型傳感應(yīng)用中的傳感分辨率;而消光比的提高則提升了強(qiáng)度調(diào)制型傳感應(yīng)用中的傳感探測(cè)范圍。在此基礎(chǔ)上，本論文基于硅材料的熱光可調(diào)效應(yīng)，利用制

7、作的眼型嵌套微環(huán)結(jié)構(gòu)成功地對(duì)溫度進(jìn)行了傳感。這一工作不僅有助于理解Fano諧振的形成原理，它對(duì)于拓展Fano諧振的應(yīng)用領(lǐng)域也具有重要意義。
　　3.論文還提出了一種基于可調(diào)微環(huán)濾波器的傳感解調(diào)器，這種解調(diào)器利用熱光效應(yīng)調(diào)諧微環(huán)濾波器的輸出光譜，對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器的輸出光譜進(jìn)行掃描，通過讀取系統(tǒng)輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的加熱功率，得到相應(yīng)的波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器的中心波長(zhǎng)。論文在SOI材料上制作了這種微環(huán)解調(diào)器，并成功地對(duì)FBG溫度傳感器的布