SOI材料上緊湊結(jié)構(gòu)波導(dǎo)器件及陣列波導(dǎo)光柵器件的研制.pdf

1、絕緣層上的硅(SOI)材料具有良好的光學(xué)和電學(xué)特性,成熟的集成電路(IC)制作工藝和設(shè)備可以應(yīng)用或借鑒于SOI平面波導(dǎo)器件的制作中;硅的克爾(Kerr)效應(yīng)、弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Kedysh)效應(yīng)和等離子色散(Plasma Dispersion)效應(yīng)等電光效應(yīng)可以應(yīng)用于電光調(diào)制器和電光開關(guān)的制作中.SOI材料的發(fā)展為超大規(guī)模集成電路(VLSI)、微光機電系統(tǒng)(MOEMS)和平面光路(PLC)提供了一個共同的平臺,使得光器件、電

2、子器件以及機械固件等的集成成為可能.因此,在未來的光電子器件的發(fā)展中,SOI材料將扮演著重要的角色.SOI材料上大折射率差脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特殊性帶來了一些特殊的性質(zhì),必須從理論上深入地探討;脊形波導(dǎo)大的彎曲半徑在某種程度上制約了SOI波導(dǎo)器件性能的提高,使得多通道、多功能器件的發(fā)展受到限制.針對上述問題,該論文對SOI波導(dǎo)的各種特性進行探討并給出了詳細(xì)的計算結(jié)果,首次用三維功率交迭積分法計算了SOI波導(dǎo)器件中波導(dǎo)過渡區(qū)的損耗,這種方法考慮

3、了脊形波導(dǎo)模式分布對過渡區(qū)耦合效率的影響.論文首次設(shè)計并制作了SOI上集成波導(dǎo)式轉(zhuǎn)彎微鏡(IWTM),利用硅的KOH各向異性腐蝕特性制作出的微鏡表面非常光亮,均方根粗糙僅為5.19nm,并且由于鏡面是腐蝕出的晶面,其與晶片表面非常垂直.實驗測得IWTM損耗約為1.5dB/鏡面,損耗主要來源于鏡面和波導(dǎo)間的水平移位,通過提高光刻精度和鏡面腐蝕位置的控制精度,可以使性能得到改善.論文將SOI上的IWTM應(yīng)用于光功率分配器和陣列波導(dǎo)光柵(AW

4、G)的制作中,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)非常緊湊的波導(dǎo)器件.論文研制了SOI材料上的多模干涉器.測得4×4 MMI的片內(nèi)額外損耗在1~2dB之間,均勻性為0.19~1.48dB,芯片的長度約為2cm.用MMI結(jié)構(gòu)代替普通的直接分叉型Y分支結(jié)構(gòu),可優(yōu)化分支性能,并且實驗結(jié)果與理論計算非常吻合.實驗測得基于1×2MMI Y分叉結(jié)構(gòu)的緊湊型1×4功分器,片內(nèi)額外損耗約為3.1dB,均勻性約為0.4dB.相比普通Y分支結(jié)構(gòu)的功分器(損耗為4.3dB,均勻性為1

5、.8dB),器件性能得到明顯改善.損耗基本是由于波導(dǎo)和鏡面的平移誤差引起.1×2MMI的性能已達到相當(dāng)好的程度,與理論值接近.器件結(jié)構(gòu)非常緊湊,在1cm×1cm大小的芯片上制作了5個器件.AWG是DWDM全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,目前國外已有產(chǎn)品出售,但國內(nèi)的研究水平不高,以理論工作居多,在實驗結(jié)果上沒有取得突破性的成果.論文從工藝角度出發(fā)探討了AWG的設(shè)計方法,詳細(xì)地計算了二氧化硅材料和SOI材料AWG器件制作對工藝容差的要求.論文對