硅基周期波導微腔集成光器件的研究.pdf

1、硅基光子學在近幾年來得到飛速的發(fā)展，它被認為是最具實用前景和發(fā)展?jié)摿Φ募晒饧夹g(shù)。一方面，人們對硅的認識和利用的歷史較為悠久。在半導體產(chǎn)業(yè)中，硅的制備、加工技術(shù)非常成熟，這有利于使用現(xiàn)有的商用基礎(chǔ)設(shè)施進行大規(guī)模量產(chǎn)，減小芯片開發(fā)的成本。其次，由于在硅上制作光子器件的工藝兼容于標準CMOS工藝，使其能夠和已經(jīng)十分成熟的集成電路技術(shù)融合，實現(xiàn)在單一芯片上集成所需的各種功能。當然，在制作硅有源光器件如激光器、探測器等方面還存在一定困難，但最近

2、的研究表明可以通過鍵合技術(shù)或外延生長等技術(shù)來彌補硅材料在這幾方面的不足。絕緣層上硅(SOI)是一種較理想的高折射率對比的材料平臺，這對于減小光器件的尺寸非常有利。但是，由于光波導器件受限于衍射極限，典型的傳統(tǒng)光波導器件比同一硅襯底上集成的電子器件的尺寸大的多。90年代初提出的光子晶體技術(shù)可以有效的實現(xiàn)波長甚至亞波長量級的光子器件，這為大規(guī)模光子器件的集成提供了一種極具潛力的技術(shù)方向。在SOI平臺上利用現(xiàn)有加工技術(shù)最容易制作的光子晶體器件

3、包括二維周期結(jié)構(gòu)的光子晶體平板和一維周期結(jié)構(gòu)的周期介質(zhì)波導。通過在這些結(jié)構(gòu)中引入線缺陷或點缺陷，就可以形成光子晶體波導組件或光子晶體微腔，在這基礎(chǔ)上可以構(gòu)建尺寸極緊湊的各種功能器件。與平板光子晶體微腔相比，周期介質(zhì)波導微腔通常結(jié)構(gòu)更加緊湊，模式體積更小，而且更容易加工實現(xiàn)。
　　 本文基于SOI材料平臺，對極小模式體積(V)-高品質(zhì)因子(Q)硅基周期波導微腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化及基于該類型微腔的器件進行了較廣泛的研究，并在實驗上進行

4、了一些初步的探索和嘗試。主要的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 1.從平板波導的麥克斯韋方程解出發(fā)，推導了對稱和非對稱平板波導模式限制的極限即最小導模模場尺寸，給出了最小模斑的尺寸及其波導尺寸條件的公式。該部分的結(jié)果為后繼章節(jié)研究亞波長模式體積的波導微腔提供一個理論參考，對于大規(guī)模集成波導陣列的設(shè)計亦有一定指定意義。
　　 2.提出和分析了一種基于混合表面等離子波的周期介質(zhì)波導微腔。利用混合表面等離子波導深亞波長的模式限

5、制以及低損耗的特性，設(shè)計出Q值超過2000的波導微腔，且實現(xiàn)了Q/V值11倍的提升。據(jù)我們所知，本文得到的Q值是目前見諸報道的表面等離子波微腔中最高的。
　　 3.提出和分析了一類基于狹縫和空芯波導的高Q值低模式體積的低折射率周期波導微腔。由于該結(jié)構(gòu)完全基于介質(zhì)材料，沒有如第二章所研究的混合表面等離子波導微腔所具有金屬本征吸收損耗，因此這種低折射率芯的全介質(zhì)波導微腔可以獲得Q值超過105或更高，模式體積為10-2(λ/2n)3數(shù)

6、量級。
　　 4.提出和設(shè)計了一種基于周期介質(zhì)波導微腔的超緊湊通道下載濾波器。使用時域耦合模理論分析了該濾波器響應(yīng)特性，推導出實現(xiàn)完全下載以及入射端口無反射的條件。有限差分時域方法計算表明下載效率超過99％，典型的器件尺寸僅為7μm或14μm。
　　 5.針對本文提出的周期波導微腔器件結(jié)構(gòu)，采用電子束光刻結(jié)合感應(yīng)耦合等離子刻蝕等加工工藝，在SOI平臺上初步制作了一些基本的波導微腔結(jié)構(gòu)，采用垂直光纖-光柵耦合測試系統(tǒng)對其進