用于光互連的基于硅納米線的陣列波導(dǎo)光柵路由器的研究.pdf

1、基于光互連的高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心是近年來(lái)國(guó)際科學(xué)界的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，其研究目標(biāo)是通過(guò)采用全光的數(shù)據(jù)傳輸、通信及路由，突破現(xiàn)有的電子互連網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)高性能、高可擴(kuò)展性、低功耗以及低延遲時(shí)間的光互連網(wǎng)絡(luò)，從而滿足未來(lái)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求。基于硅納米線的陣列波導(dǎo)光柵路由器被普遍認(rèn)為是下一代高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)的核心光無(wú)源器件。一方面，基于硅納米線波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)光柵具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高以及與CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì);

2、另一方面，以N×N的矩陣形式構(gòu)成的陣列波導(dǎo)光柵路由器，能夠在不同信道同時(shí)傳輸Ⅳ路信號(hào)，具有高帶寬和很好的可擴(kuò)展性。再加上其易與其他光器件集成，構(gòu)成多功能器件和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因而，硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器可以充分滿足下一代高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心光互連的需求。
　　近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的研究主要是針對(duì)細(xì)波分復(fù)用（DWDM，波長(zhǎng)間隔為0.8nm和3.2nm）光互連的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用于粗波分復(fù)用(CWDM)光互連的陣列

3、波導(dǎo)光柵路由器的研究尚屬空白。因此，本文對(duì)工作于1550nm波段，通道間隔為5nm、10nm以及20nm的硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試的整個(gè)工程體系的研究。
　　文章首先詳細(xì)地介紹了陣列波導(dǎo)光柵。介紹了陣列波導(dǎo)光柵的基本原理，包括它的幾何結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。然后，介紹了基于硅納米線的陣列波導(dǎo)光柵的研究歷程，介紹了基于其他材料平臺(tái)的陣列波導(dǎo)光柵，包括基于硅基二氧化硅的陣列波導(dǎo)光柵、基于磷化銦的陣列波導(dǎo)光柵、

4、基于氮化硅的陣列波導(dǎo)光柵等，并對(duì)不同材料平臺(tái)的陣列波導(dǎo)光柵的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了比較。
　　接著，基于光互連對(duì)光子器件溫度不敏感的要求，文章分析了溫度對(duì)陣列波導(dǎo)光柵中心波長(zhǎng)的影響。同時(shí)，分別介紹了硅基二氧化硅無(wú)熱陣列波導(dǎo)光柵和硅納米線無(wú)熱陣列波導(dǎo)光柵的研究現(xiàn)狀。此外，針對(duì)硅納米線無(wú)熱陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)的制作容差較小這一問(wèn)題，我們提出一種引入輸入/輸出自由傳輸區(qū)作為溫度補(bǔ)償區(qū)域的方法，增加一個(gè)或多個(gè)自由度，提高了陣列波導(dǎo)寬度的制作容

5、差。
　　然后，文章介紹了陣列波導(dǎo)光柵路由器的研究歷程，介紹了在本論文的研究工作進(jìn)行的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外同行對(duì)硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的研究進(jìn)展。隨后，我們探討了硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的基本設(shè)計(jì)方法，以一個(gè)4×4通道間隔為10nm的硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器作為設(shè)計(jì)實(shí)例，研究了其基本的設(shè)計(jì)流程和數(shù)值仿真方法。此外，文章分析了當(dāng)硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的自由光譜范圍較大時(shí)，邊緣通道的輸出波長(zhǎng)出現(xiàn)較大頻率偏差的問(wèn)題。
　　緊接

6、著，文章介紹了硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器掩膜設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了一套硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的制作流程，詳細(xì)研究了光刻工藝、硅深刻蝕工藝等關(guān)鍵工藝。此外，我們采用端面耦合法和光柵耦合法，搭建了兩套硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器的測(cè)試系統(tǒng)。文章對(duì)制作的通道數(shù)為4和8，通道間隔為5nm、10nm和20nm的硅納米線陣列波導(dǎo)光柵路由器進(jìn)行了測(cè)試，器件的損耗在2.5dB與6dB之間，串?dāng)_在-12dB與-18dB之間，具有較好的性能。同時(shí)，文章以4×4