面向片上光互連的硅基無源器件研究.pdf

1、隨著話音業(yè)務(wù)的激增和各種數(shù)據(jù)、圖像新業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，特別是FTTH和IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)的信息容量與處理速度呈現(xiàn)爆炸性增長態(tài)勢。而基于金屬傳導(dǎo)的電互連技術(shù)面臨嚴(yán)重的熱耗散與不可逾越的電子瓶頸，已越來越不適應(yīng)信息存儲(chǔ)、信息傳輸、信息處理的高速率高帶寬需求。以光子作為信息載體，以波導(dǎo)作為傳輸媒介，在芯片內(nèi)部以光互連取代電互連，實(shí)現(xiàn)片上高密度、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，是突破電互連性能瓶頸的有力手段。平面光學(xué)器件的研制，以及彼此之間的相互集成

2、，是實(shí)現(xiàn)片上光互連的前提。以硅為主要材料的硅基光子學(xué)，因微電子行業(yè)的推動(dòng)，研究人員對硅材料認(rèn)知的加深以及硅基兼容技術(shù)的逐漸成熟，被認(rèn)為是最有希望的光互連平臺(tái)。本論文以硅基光互連芯片中的兩種關(guān)鍵無源器件——波長轉(zhuǎn)換器、波分復(fù)用器件作為研究目標(biāo)。
　　首先，我們介紹了硅基波導(dǎo)的分類以及主要數(shù)值仿真方法，并采用時(shí)域有限差分方法對條形波導(dǎo)、狹縫波導(dǎo)的模場分布、線性傳輸性質(zhì)進(jìn)行了分析。隨后，介紹了SOI波導(dǎo)中的幾種重要非線性現(xiàn)象。
　

3、　接著，我們介紹了硅基波導(dǎo)的制作方法與測試，包括關(guān)鍵設(shè)備、重要工藝流程、測試方法與耦合平臺(tái)。
　　在對硅納米線波導(dǎo)研究的基礎(chǔ)上，本論文對基于四波混頻效應(yīng)FWM的硅基波長轉(zhuǎn)換器、硅基波分復(fù)用器件進(jìn)行了研究。波長轉(zhuǎn)換器可以有效解決通信網(wǎng)絡(luò)的波長連續(xù)性問題，增加片上光互連的通信帶寬，提高光網(wǎng)絡(luò)的波長使用效率。為提高硅基波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，本論文從增強(qiáng)非線性系數(shù)與調(diào)控相位失配兩方面著手。對于前者，本論文設(shè)計(jì)了一種高非線性水平狹縫波導(dǎo)，其

4、非線性系數(shù)達(dá)到-1-14100W m，為相同結(jié)構(gòu)尺寸下條形波導(dǎo)的20倍。對與后者，本論文提出了兩種準(zhǔn)相位匹配方案——相位失配交替方案PMS與相位失配補(bǔ)償方案PMC，用于調(diào)控相位失配，提高目標(biāo)波長處的轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果表明，PMS、PMC方案分別將轉(zhuǎn)換效率提高了11.3dB、18.3dB。隨后，本論文研究了雙泵浦條件下，PMS、PMC方案的轉(zhuǎn)換性能。功率較低的情況下，非簡并FWM比簡并FWM更易獲得較高轉(zhuǎn)換效率。除此之外，本論文還提出一種增強(qiáng)

5、型相位匹配補(bǔ)償方案EPMC，用于進(jìn)一步提升能量轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，提高轉(zhuǎn)換性能。計(jì)算結(jié)果表明，EMPC方案中FWM效率達(dá)到-11.3dB，3-dB帶寬為516nm。
　　波分復(fù)用/解復(fù)用器是片上光互連的核心，它對于實(shí)現(xiàn)多路光的合波與分波，增強(qiáng)通信帶寬有著極為重要的作用?，F(xiàn)有的光學(xué)設(shè)計(jì)方法限制了設(shè)計(jì)者獲得更高集成度、更優(yōu)性能的平面集成光學(xué)器件。超材料結(jié)構(gòu)在亞波長尺度調(diào)控介電常數(shù)，為高效光子調(diào)控提供了一種新思路。為消除干法刻蝕過程中遲滯效應(yīng)對刻