新型硅基集成光子器件的研究.pdf

1、不斷呈現(xiàn)的各種業(yè)務(wù)需求、飛速發(fā)展的光通信技術(shù)以及逐步拓寬的應(yīng)用領(lǐng)域大大促進(jìn)了集成光子器件的研究與發(fā)展。為構(gòu)建大容量、高速率的光通信網(wǎng)絡(luò)，時(shí)下的光開關(guān)和光路由等交換系統(tǒng)正面臨著巨大挑戰(zhàn)。不僅如此，集成光學(xué)器件還快速拓展于能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物、傳感等領(lǐng)域。集成光電子器件的設(shè)計(jì)正朝著簡易化(Simpler)、智能化(Smarter)、小型化(smaller)、高速化(swifter)、節(jié)約化(saving energy and cost)的

2、“5S”方向邁進(jìn)。
　　 近年來，SOI基有源和無源器件的研究齊頭并進(jìn)，成為光電子領(lǐng)域最熱門的方向之一。在揭開電子瓶頸之前，硅光子器件仍面臨很多基本問題。比如，如何有效回避或利用光子波導(dǎo)中的偏振問題；如何實(shí)現(xiàn)超緊湊、低串?dāng)_、寬帶寬的光開關(guān)器件；能否用硅基光子波導(dǎo)構(gòu)建具有類似于電子器件的邏輯功能單元；怎樣解決好硅與各種材料的混合集成問題等等。
　　 基于上述思想，本論文的目的在于：以光波導(dǎo)自映像原理為基礎(chǔ)，探索功能新穎、工

3、藝簡單、控制方便、性能優(yōu)良的光電子器件，并以SOI基CMOS兼容工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行原理性試驗(yàn)。本文具創(chuàng)新性意義的工作主要集中于以下四個(gè)方面：
　　 1、對(duì)光波導(dǎo)的白映像原理進(jìn)行了引伸和拓展。從光偏振的角度對(duì)自映像原理進(jìn)行了推廣，設(shè)計(jì)了一種新型的模式轉(zhuǎn)換器；利用模式傳輸方法對(duì)平板波導(dǎo)和二維空間波導(dǎo)中的多模干涉進(jìn)行了闡述和分析；論述了有限波導(dǎo)陣列中的自映像效應(yīng)，分析了次近鄰波導(dǎo)間的耦合對(duì)該效應(yīng)的影響；討論了無限波導(dǎo)陣列的傳輸特性與輸入場(chǎng)

4、之間的聯(lián)系；提出了利用分離變量法和微擾法聯(lián)合分析空間波導(dǎo)系統(tǒng)的解析模型，據(jù)此設(shè)計(jì)了粗波分復(fù)用器件。
　　 2、以自映像理論為基礎(chǔ)，提出了多種結(jié)構(gòu)緊湊、功能新穎、控制簡便的集成光學(xué)器件．以3×3 MMI耦合器為基本結(jié)構(gòu)，提出的多種器件，包括控制簡單的、超緊湊1×3光開關(guān)；23bit的光學(xué)邏輯編碼器；易于重組的波導(dǎo)型六端光環(huán)路器；利用光開關(guān)的各輸出狀態(tài)下所需相位調(diào)制量間的倍數(shù)關(guān)系，系統(tǒng)論證了可以簡化外控電極及驅(qū)動(dòng)方案的1×N的多值M

5、MI開關(guān)；理論性的研究了基于多模干涉波導(dǎo)的空間邏輯編碼器的驅(qū)動(dòng)方案。
　　 3、兼用CMOS生產(chǎn)線和本實(shí)驗(yàn)室的硅基工藝條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，原理性論證了所提器件的基本結(jié)構(gòu)．以p—i—n載流子注入結(jié)構(gòu)進(jìn)行波導(dǎo)相位調(diào)制，采用0.8μm CMOS工藝線制作的調(diào)制器消光比達(dá)20dB；1×2光開關(guān)和2×2光開關(guān)的串?dāng)_分別可以達(dá)到18dB和17dB；器件速度達(dá)到幾十ns量級(jí)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)傳輸曲線的擬合分析，討論了硅載流子色散效應(yīng)的伴隨損耗對(duì)MZI型

6、光開關(guān)串?dāng)_的影響。在本實(shí)驗(yàn)室條件下，攻克了等離子體干法刻蝕工藝，對(duì)刻蝕條件進(jìn)行了優(yōu)化；并摸索了一系列硅基熱光器件的基礎(chǔ)工藝。
　　 4、基于對(duì)Ce：YIG/Si/SOI非互易波導(dǎo)的數(shù)值分析，構(gòu)思了多種硅基非互易器件。用微擾法比較分析了Ce：YIG/Si/SOI波導(dǎo)在增強(qiáng)非互易效應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)；推導(dǎo)了磁光波導(dǎo)的三維全矢量BPM模擬的計(jì)算公式，并基于有限差分方法進(jìn)行編程計(jì)算。將非互易相移引入到微諧振結(jié)構(gòu)，達(dá)到了非互易器件小型化和功能化