硅基納米光波導與器件.pdf

1、硅光子器件因為具備與成熟的CMOS制造工藝相兼容的巨大優(yōu)勢，而被認為是目前實現(xiàn)高性能、低成本和高集成度的片上光互聯(lián)和片上實驗室最可行的方案。本論文主要主要針對光傳感以及光互聯(lián)上的應用，研究了硅納米線光波導、硅基混合型等離子體光波導及其器件的設計、制備及測試等。
　　 首先研究了三種用于提高集成光傳感器性能的新型的基于硅納米線光波導的諧振微腔結(jié)構(gòu)。(1)第一次實驗證明了馬赫-曾德反饋式微環(huán)諧振腔傳感器具有高靈敏度(～110nm/R

2、IU)，高消光比(～16～36dB)和大動態(tài)范圍.該傳感器具有大于120nm的準自由光譜范圍，從而使得它可以探測折射率在1～1.538范圍內(nèi)變化的外界物質(zhì)；(2)在實驗上初步嘗試證明了利用級聯(lián)雙環(huán)諧振腔可顯著提高傳感器靈敏度。其靈敏度比一般的微環(huán)諧振式傳感器要高出兩個數(shù)量級(～104 nm/RIU)。并將其與陣列波導光柵相結(jié)合，以實現(xiàn)集成型的光譜分析儀和片上傳感系統(tǒng)；(3)研制了基于布拉格光柵反射鏡的法布里-波羅諧振微腔傳感器，顯著提高

3、了傳感器的動態(tài)范圍。通過采用全刻蝕布拉格光柵，并優(yōu)化設計布拉格光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了高反射率和寬反射帶寬的反射鏡。實驗表明該法布里-波羅諧振微腔的自由光譜范圍約為21nm，Q值約為2600，消光比約為13dB。
　　 其次，對硅基混合型等離子體光波導及其基本元器件進行了研究。硅基混合型等離子體光波導是一種新型的波導結(jié)構(gòu)，它在保持將光能量強限制在深亞波長尺寸的同時還有效提高了傳輸距離。例如，該波導可以將光能量強限制在100nm×10

4、nm的結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且保持約70um的傳播長度。另外，硅基混合型等離子體光波導還具有和CMOS工藝相兼容，以及和硅納米線光波導混合集成的優(yōu)點。利用有限元法和時域有限差分法，本文詳細研究了硅基混合型表面等離子體光波導的基本結(jié)構(gòu)單元，包括彎曲損耗，方向耦合器，多模干涉器和Y分支結(jié)構(gòu)。研究表明，其最小彎曲半徑可達800nm，從而表明該波導非常適合高密度光集成.經(jīng)過優(yōu)化設計的方向耦合器，多模干涉器和Y分支結(jié)構(gòu)的面積均在亞平方微米量級。同時，多模干涉