基于光子晶體微腔的硅基集成器件的研究.pdf

1、隨著21世紀(jì)信息通信科學(xué)的大發(fā)展，人類對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)算交換速度的要求越來越高，對(duì)于數(shù)據(jù)交換量、傳輸帶寬的要求越來越大。光互連技術(shù)因其高傳輸速率、大傳輸帶寬的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域，用于替代傳統(tǒng)的電互連技術(shù)。硅基集成光電芯片是將傳統(tǒng)電學(xué)器件與新型光子器件混合集成在同一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)Tb/s量級(jí)傳輸速率、fJ/bit量級(jí)功耗的光互連技術(shù)。硅基光互連技術(shù)因其超高傳輸速率、低功耗、高集成度、成熟的硅基工藝等優(yōu)勢，成為最有前景的下一代光互連方案

2、。硅基集成光子器件需要在微納米尺度上有效的調(diào)控光子。光子晶體是由不同介電常數(shù)的電介質(zhì)周期性排列而形成的，其光學(xué)能帶結(jié)構(gòu)特性使其能在微納米尺度上有效調(diào)控光子。在完美光子晶體結(jié)構(gòu)中引入點(diǎn)缺陷就構(gòu)成了光子晶體微腔，光子晶體微腔對(duì)特定頻率的光波有很強(qiáng)的光場限制能力，其具有品質(zhì)因子高、有效模式體積小、尺寸小、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。光子晶體微腔已被廣泛應(yīng)用于超低閾值激光器、集成光源、復(fù)用解復(fù)用器、高靈敏度傳感器、非線性光學(xué)、量子光學(xué)等領(lǐng)域中。
　　

3、本研究主要內(nèi)容包括：⑴探索開發(fā)了微納加工技術(shù)中關(guān)鍵的電子束曝光(EBL)工藝，在多種電子束膠、多種襯底上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的電子束曝光結(jié)果，同時(shí)開發(fā)了部分感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕工藝。為后續(xù)的光子晶體微腔器件的實(shí)驗(yàn)制備奠定了基礎(chǔ)。⑵理論研究并制備了高品質(zhì)因子硅基光子晶體微腔。制備的光子晶體L3腔的品質(zhì)因子超過已報(bào)道的同類腔型的品質(zhì)因子；提出了一種簡單的新穎設(shè)計(jì)方案，通過減小環(huán)形腔拐角處的空氣孔徑，實(shí)現(xiàn)了品質(zhì)因子為75200的光子晶體環(huán)形腔

4、，比之前報(bào)道的結(jié)果提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于OSA Optics Letters雜志。⑶研究了硅基光子晶體L3腔中光學(xué)非線性、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在光子晶體波導(dǎo)與高品質(zhì)因子L3腔耦合系統(tǒng)中觀察到超低閾值的光學(xué)非線性及雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。由于腔的高品質(zhì)因子，腔中光學(xué)非線性得到極大增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)觀察到的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)閾值功率為26.1?W，遠(yuǎn)小于已報(bào)道的同類型光子晶體微腔的閾值功率；通過改變光子晶體波導(dǎo)與L3腔的耦合間距，實(shí)驗(yàn)得到了臨界耦合狀態(tài)下的波導(dǎo)與

5、L3腔耦合系統(tǒng)，觀察到了低輸入功率、大調(diào)制深度的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在開啟光功率為-12.1dBm時(shí)，開關(guān)對(duì)比度為7.7dB，調(diào)制深度達(dá)到70％，開關(guān)對(duì)比度、調(diào)制深度明顯大于弱耦合系統(tǒng)中的結(jié)果；建立了一套非線性耦合模理論模型，理論分析了光子晶體波導(dǎo)與L3腔耦合系統(tǒng)中各類光學(xué)效應(yīng)。相關(guān)結(jié)果分別發(fā)表于 IEEE Photonics Journal與 Photonics Technology Letters雜志。⑷提出并實(shí)現(xiàn)了基于級(jí)聯(lián)光子晶體L3

6、腔的光二極管，利用腔中硅的非線性光吸收與熱光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光波傳輸?shù)恼驅(qū)ā⒎聪蚪刂?。光非互易性傳輸系?shù)達(dá)到30.8dB，插入損耗為8.3dB，17dB工作帶寬為80pm。同時(shí)建立了一套非線性耦合模模型，能有效分析級(jí)聯(lián)L3腔的光二極管的工作機(jī)理。該光二極管方案有非互易性傳輸系數(shù)大、尺寸小、易于集成等有優(yōu)點(diǎn)，在片上全光信號(hào)處理中極具應(yīng)用潛力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于OSA Optics Letters雜志。⑸提出并實(shí)現(xiàn)了一種在波導(dǎo)上引入周期性空氣孔

7、的新型跑道型微環(huán)結(jié)構(gòu)，觀察到非均一自由頻譜寬度(FSR)的多諧振峰及強(qiáng)烈的慢光現(xiàn)象，在光子帶隙的帶邊附近獲得了37.6的群折射率。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于IEEE Photonics Technology Letters雜志。⑹提出并實(shí)現(xiàn)了利用光子晶體環(huán)形腔增強(qiáng)鍺自組裝量子點(diǎn)發(fā)光，在1500-1600nm波長范圍內(nèi)觀察到六個(gè)尖銳的發(fā)光峰，Purcell因子約為2.1，并由此估算單鍺量子點(diǎn)的發(fā)光線寬小于25nm。利用模式體積更小的、優(yōu)化垂直方向出射