SOI集成光波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)研究.pdf

1、光電子器件的發(fā)展與應(yīng)用推動(dòng)著光通信系統(tǒng)的進(jìn)步.SOI(Silicon-on-insulator)光波導(dǎo)技術(shù)同時(shí)具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能,并且與成熟的硅基CMOS工藝完全兼容,是發(fā)展低成本的光子集成回路的重要趨勢(shì)之一.光耦合器和可調(diào)式光衰減器都是密集波分復(fù)用(DWDM)光通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件.該文圍繞基于大截面SOI單模脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的彎曲波導(dǎo)、光耦合器和電光可調(diào)式光衰減器展開研制工作.SOI光波導(dǎo)采用脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大截面尺

2、寸的單模傳輸.采用有效折射率方法分析了SOI脊形光波導(dǎo)的模式特性,得到了與已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的單模條件.利用有限差分方法,獲得了SOI脊形光波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間模場(chǎng)失配損耗與波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,為優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù),最大限度地減少耦合損耗提供理論依據(jù).在光子集成回路中,實(shí)現(xiàn)傳輸光場(chǎng)方向改變的波導(dǎo)彎曲是不可避免的.利用有限差分法光束傳播法(FD-BPM)分析了曲線型SOI脊形彎曲波導(dǎo)和S型SOI脊形彎曲波導(dǎo)的損耗特性.利用時(shí)域有限

3、差分方法(FDTD)分析了大截面的全內(nèi)反射型90°SOI脊形彎曲波導(dǎo)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件性能的影響,為制備低損耗的彎曲波導(dǎo)提供了理論依據(jù).利用硅反應(yīng)離子刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)制作了損耗為0.52dB的全內(nèi)反射型90°SOI脊形彎曲波導(dǎo).利用FD-BPM方法模擬分析了Y分支SOI波導(dǎo)耦合器和1×2對(duì)稱干涉SOI多模干涉耦合器的光場(chǎng)傳輸特性,分析了它們的波長(zhǎng)帶寬和制作容差性.在SIMOX SOI晶片上,實(shí)驗(yàn)制作了這兩種集成光波導(dǎo)耦合器,得到比較均衡的

4、功率輸出.利用FDTD方法系統(tǒng)地模擬分析了大截面的T分支SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、光場(chǎng)傳輸特性和器件性能.T分支SOI波導(dǎo)耦合器具有較寬的波長(zhǎng)帶寬,制作容差性好,而且器件尺寸小,容易實(shí)現(xiàn)大的輸出間距.在SIMOX SOI晶片上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)器件,耦合器的平均附加損耗EL為1.61dB,輸出不均衡度UF小于0.63dB.采用常規(guī)硅CMOS工藝設(shè)計(jì)并制備了4×4 SOI基電光可調(diào)式光衰減器的原型器件.光衰減器通過(guò)注入載流子的吸收實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸光