基于微環(huán)諧振腔可調特性的硅光子應用研究.pdf

1、微環(huán)諧振腔是一種非常巧妙的諧振結構，它利用光波導構成光學回路形成反饋，從而對某些特定波長的光的輸出產(chǎn)生影響。相對傳統(tǒng)的光學結構微環(huán)諧振腔具有結構簡單、集成度高的特點。以絕緣襯底上的硅材料(Silicon-on-insulator,SOI)為平臺制作微環(huán)器件，工藝與CMOS工藝相兼容，大規(guī)模生產(chǎn)可以極大地降低光子器件的成本。具有差異才能產(chǎn)生信息，所以可調特性應是信息器件所必備的核心特性。硅材料具有良好的熱光效應和載流子色散效應:利用熱光效

2、應，可以對硅的折射率大范圍調節(jié);利用載流子色散效應，可以實現(xiàn)高達數(shù)十GBit/s的高速調制。長期以來人們對硅基微環(huán)的基本特性進行了廣泛而深入的研究，但是應用的多樣性需求對基于硅材料微環(huán)集成芯片的研究來說仍是一項極富挑戰(zhàn)性的課題。
　　本論文主要以硅基微環(huán)諧振腔為基本單元，利用其可調效應，對集成光鏈路、集成光傳感器以及傳感解調器等若干光電子器件進行理論設計和實驗研究。其主要創(chuàng)新和特色工作在于:
　　1.針對目前光互連領域對于通

3、信容量和速度的需求，提出了基于微環(huán)結構的可重構光學鏈路的概念，通過熱光效應，對微環(huán)調制器和濾波器的工作波長進行控制。這種結構一方面可以利用工作通道的可重構特性使同一物理光鏈路在不同時刻工作在不同波長通道，提高光波分復用系統(tǒng)的靈活性和通道利用效率，非常適合應用于波分復用系統(tǒng)當中;另一方面，微環(huán)的工藝制作誤差可以通過熱光效應得到補償，使信道的誤碼率和通道間的串擾得到改善。此外，這里所提出的可重構光鏈路中的微環(huán)調制器采用等離子體色散型電極，確

4、保了對信號的高速調制;并且，光鏈路中的濾波器為二階串聯(lián)微環(huán)結構，解決了傳統(tǒng)一階微環(huán)濾波器帶寬較窄，串擾過高的弊端。進一步地，本論文利用新加坡微電子研究所提供的CMOS兼容工藝對提出的器件進行了制作和測試，制作的光鏈路中微環(huán)調制器和濾波器分別以3.9mW/nm和5.9mW/nm的加熱效率實現(xiàn)了在0.8nm波長間隔的通道之間的重構，且利用熱光電極實現(xiàn)的通道切換速度達到5kHz;此外，由于采用了二階串聯(lián)雙環(huán)結構濾波器設計，所形成通道的3-dB

5、帶寬等于0.57nm，通道間串擾小于-20dB。
　　2.針對高性能傳感器的應用需要，提出利用眼型微環(huán)嵌套結構的非對稱Fano諧振特性提高基于微環(huán)的光學傳感分辨率和探測范圍。本論文利用轉移矩陣法和時域有限差分法對這一結構所形成Fano諧振的物理本質和特性進行了深入的研究，指出利用眼型微環(huán)嵌套結構的非對稱Fano諧振可以在相同的插入損耗下有效地提高下路端光譜尖銳度;并且該結構還可以大幅度提高下路端光譜的消光比。為了使該理論在實踐上得

6、到證明，本論文利用比利時IMEC硅光子工藝線制作了眼型微環(huán)嵌套結構并與傳統(tǒng)的一階上下路微環(huán)濾波器的諧振特性做了對比。結果表明:眼型嵌套微環(huán)結構下路端光譜的尖銳度相對傳統(tǒng)的一階上下路微環(huán)濾波器提高了約3倍，消光比提高了約20dB。光譜尖銳度的提高意味著在同樣的測試條件下能夠分辨更小的光譜移動，提升了波長調制型傳感應用中的傳感分辨率;而消光比的提高則提升了強度調制型傳感應用中的傳感探測范圍。在此基礎上，本論文基于硅材料的熱光可調效應，利用制

7、作的眼型嵌套微環(huán)結構成功地對溫度進行了傳感。這一工作不僅有助于理解Fano諧振的形成原理，它對于拓展Fano諧振的應用領域也具有重要意義。
　　3.論文還提出了一種基于可調微環(huán)濾波器的傳感解調器，這種解調器利用熱光效應調諧微環(huán)濾波器的輸出光譜，對波長調制型傳感器的輸出光譜進行掃描，通過讀取系統(tǒng)輸出功率最大時所對應的加熱功率，得到相應的波長調制型傳感器的中心波長。論文在SOI材料上制作了這種微環(huán)解調器，并成功地對FBG溫度傳感器的布