硅基耦合微腔的光學非線性特性與應用.pdf

1、當今，低成本集成光電子器件高速發(fā)展，對于未來高速傳輸、大數據的信息傳輸需求越來越高。實現芯片間以及片上光互連已成為學術界研究的熱點，采用硅基的光電子器件，可以實現光子作用代替電子在電子電路方面的各種功能，同時也面臨巨大挑戰(zhàn)。完善的微電子加工工藝很大程度上促進了硅光電子學的發(fā)展，成就了今天超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展。硅材料是微電子學領域的主要材料，也是非常適合于片上光互連，同時它用于光互聯具備三大優(yōu)勢：光通信波段透明，在光波波長為1523

2、nm時，Si的本征吸收損耗僅為0.004dB/cm，損耗基本可以忽略；SOI等材料具備高折射率差，對光有很好的限制；與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容?，F今已經研究實現了在SOI上制作出光開關、光學隨機存取存儲器、光調制器和陣列波導光柵等諸多性能優(yōu)良的光波導器件。光學非線性是實現光學隨機存儲（O-RAM）、全光開關和光學二極管等光學信號處理器件的基礎，而雙穩(wěn)態(tài)器件是利用光學非線性效應實現上述功能的基礎。雙穩(wěn)態(tài)的研究目前實現了很多功能器件，然而耦合

3、結構的微腔諧振器、及其多雙穩(wěn)態(tài)，多穩(wěn)態(tài)等復雜現象研究很少。硅基光子技術與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容、與集成電路兼容，是理想的光子集成平臺。
　　本論文對硅基微環(huán)耦合結構進行了理論設計和實驗研究，主要內容包括：對其中關鍵的非線性效應、雙環(huán)諧振器實現O-RAM和硅基全光二極管結構進行了理論研究；制造工藝和測試系統(tǒng)研究；硅基全光二極管器件的實驗研究。其主要內容和研究成果如下：
　?。?）對硅基微環(huán)耦合結構基礎理論分析及模型建立。主要包

4、括：單腔和雙腔結構的非線性理論研究；構建硅基全光二極管的理論模型，即考慮微環(huán)諧振腔的非線性效應建立非對稱 FP腔-微環(huán)耦合結構的傳輸矩陣模型。為后續(xù)對硅基全光二極管的實驗特性進行理論分析奠定了基礎。
　?。?）雙環(huán)微腔與波導耦合系統(tǒng)的特性與應用研究。利用建立的非線性傳輸矩陣算法，研究了雙環(huán)微腔與波導耦合系統(tǒng)的三穩(wěn)態(tài)特性，討論了三穩(wěn)態(tài)實現光開關和光存儲方面的應用。
　?。?）設計了一種FP腔-微環(huán)耦合結構的單峰雙向硅基光學二極

5、管。通過硅基非對稱FP腔和微環(huán)耦合，以及非線性效應，實現了簡單、結構緊湊、功率可調的雙向硅基光學二極管。器件在2.05dBm的輸入功率和-6.95dBm的輸入功率下，分別實現了-15.38dB和30.88dB的非互易傳輸系數（NTR），插入損耗分別為11.66dB和17.14dB。
　?。?）設計了一種FP腔-微環(huán)耦合結構的劈裂峰雙向硅基光學二極管?；谖h(huán)表面粗糙度引起的反射，實現了劈裂峰的光學非互易，光學非互易傳輸系數為35.