硅基光子無源集成器件以及混合集成平臺的研究.pdf

1、經(jīng)過多年發(fā)展，硅光子學如今已經(jīng)成為受到廣泛關注的熱點研究領域。利用硅的高折射率差和成熟的制造工藝，硅光子學被認為是實現(xiàn)高集成度光子芯片的最佳選擇。但是，硅光子學也有其固有的缺點，比如缺乏高效的硅基有源器件，極低的光纖-波導耦合效率以及硅基波導顯著的偏振相關性等都制約著硅光子學的進一步發(fā)展。本論文針對這些問題，試圖通過新的嘗試給出一些全新的解決方案。
　　 首先我們回顧了一些光波導的數(shù)值算法，并在此基礎上開發(fā)了一個基于柱坐標系的有

2、限差分模式分析器，它非常適合于分析彎曲波導的本征模場。對于復雜光子器件結(jié)構(gòu)的分析，我們主要利用時域有限差分以及波束傳播法等數(shù)值工具。
　　 接著我們回顧了硅基光子器件各項主要的制造工藝和測試技術。重點介紹了幾種基于超凈室設備的關鍵工藝，如等離子增強化學氣相沉積，電子束光刻以及等離子體干法刻蝕。為了同時獲得較高的耦合效率以及較大的對準容差，本論文主要利用垂直耦合系統(tǒng)作為光子器件的主要測試方法。
　　 針對不同的硅波導結(jié)構(gòu)，

3、我們提出并且實驗驗證了兩款新型耦合器以提高硅波導的耦合效率。一款基于非均勻光柵的垂直耦合器，在實驗中，我們得到了超過60％的光纖-波導耦合效率。此外，我們還開發(fā)了一款用以實現(xiàn)硅條形波導和狹縫波導之間高效耦合的新型耦合器，理論設計和實驗結(jié)果都證明該耦合器可以實現(xiàn)兩種波導之間的無損光耦合。
　　 為了消除硅基無源器件顯著的偏振相關性，我們首先利用一種特殊的三明治結(jié)構(gòu)波導，通過優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)，成功消除了一個超小型微環(huán)諧振器中心波長的偏振

4、相關性。同時，我們分析了另外一種可以有效消除偏振相關性的偏振分級方案，并提出了兩種新型結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)該方案中的兩種關鍵元件。通過理論分析以及實驗驗證，一個基于一維光柵的偏振分束器被證明能夠?qū)崿F(xiàn)兩種偏振光的有效分離。該分束器同時還能作為光纖與硅波導之間的高效耦合器。實驗中我們獲得了超過50％的耦合效率以及低于-20dB的偏振串擾。我們還對一個基于硅條形波導的超小型偏振旋轉(zhuǎn)器進行了理論分析，該器件能夠?qū)崿F(xiàn)100％的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化效率，并擁有較大的制造