基于硅納米線波導(dǎo)的平面集成光器件的設(shè)計，制作與檢測.pdf

1、在眾多的光通信器件中，基于平面光集成(Planar Lightwave Circuit)工藝的光器件由于其具有低成本，適合大規(guī)模制造等方面的優(yōu)勢，在近年來已經(jīng)逐漸脫穎而出，成為構(gòu)建未來光網(wǎng)絡(luò)不可或缺的重要組成部分。而在各種材料中，硅絕緣體(Silicon—On—Insulator)集成器件具有高折射率差，高集成度等眾多優(yōu)點，是當(dāng)前研究的一個熱點。本文主要針對基于硅納米波導(dǎo)平臺的幾種光集成器件進(jìn)行了研究，提出一些新的設(shè)計或改進(jìn)，并對部分設(shè)

2、計完成了試驗制作以及光學(xué)性能檢測。
　　 本文介紹了幾種數(shù)值模擬方法，包括：標(biāo)量衍射法(Scalar IntegrationMethod)，束傳播法(Beam Propagation Method)，時域有限差分法(Finite—differenceTime—domain Method)，并將它們應(yīng)用于各種光器件的設(shè)計當(dāng)中。對于一些特殊情況，比如器件尺寸較大，同時需要分析器件的雙向性能(比如反射特性)，本文提出一種近似方法，將束

3、傳播法和時域有限差分法相結(jié)合，儀對其中存在反射界面的局部區(qū)域使用時域有限差分法，計算出相應(yīng)的透射及反射場分布，然后再將這些光場分別作為正向和反向傳播光場的源，利用束傳播辦法計算透射波及反射波在器件其他區(qū)域中的傳播特性。該方法避免了直接對大尺寸器件進(jìn)行FDTD模擬，大大降低了內(nèi)存需要及運算時間，是一種有效的近似方法。
　　 本文闡述了器件制作中的各個相關(guān)工序。本文使用了由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced C

4、hemical Vapor Deposition)方法沉積的非晶硅(Amorphous Silicon)及二氧化硅構(gòu)成的SOI平臺，來代替通常商用的SOI硅片。該辦法的優(yōu)點在于能靈活選擇參數(shù)如各層薄膜厚度、折射率等，方便器件的設(shè)計與優(yōu)化。缺點是非晶硅比單晶硅(Crystalline Silicon)具有更大的損耗。我們沉積的非晶硅經(jīng)過測量，其材料損耗最好情況約為1.5dB/cm，完全可以接受。器件圖案的形成使用了電子束曝光(Electr

5、onic Beam Lithography)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻，以達(dá)到更高的分辨率(～100納米)?？涛g方法采用電感耦合等離子體—反應(yīng)離子刻蝕(Inductively Coupled Plasma—Reactive Ion Etching)工藝，以獲得較好的方向性和分辨率。
　　 器件的光學(xué)性能測試采用了兩種方法：端面耦合法(End—fire Method)和垂直耦合法(Vertical Coupling Method)。垂直耦合

6、法是在輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)表面上利用套刻的辦法，做上一系列淺刻蝕光柵，然后將光線從垂直方向上進(jìn)行耦合。該方法比端面耦合法具有較高的耦合效率，但是并不適合于器件的最后封裝。
　　 本文首先對基于硅納米波導(dǎo)平臺的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器(EtchedDiffraction Gratine Multi/Demultiplexer)進(jìn)行了一系列的研究。設(shè)計并制作了基于全內(nèi)反射(Total Internal Reflection)齒面的EDG

7、，測量結(jié)果顯示，與相同器件參數(shù)但未采用TIR齒面設(shè)計的EDG相比，衍射效率增加超過3dB。本文提出了一種基于交叉衍射級次(Cross—order)的EDG，僅用單一的EDG實現(xiàn)了對1310納米、1490納米及1550納米三個信道的單纖三向器件(Triplexer)，并進(jìn)行了制作和檢測，該器件可以應(yīng)用于無源全光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Networks)的接入網(wǎng)方案中，用以實現(xiàn)三網(wǎng)合一服務(wù)(Tripie Play Servic