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1、本工作圍繞亞波長(zhǎng)光柵(SWG)展開(kāi),這種衍射光學(xué)元件周期長(zhǎng)度小于入射光波長(zhǎng),只有零級(jí)衍射波才可以傳導(dǎo),其余的高級(jí)次衍射波均為倏逝波。SWG可視為一種特殊薄膜,其折射率為具有周期分布折射率的光柵層的平均折射率,調(diào)整SWG結(jié)構(gòu)參數(shù),使折射率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可變。對(duì)入射光波長(zhǎng)或入射角等物理量的微小的變化,SWG的衍射波的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。
論文研究了工作在光通信C波段的InP基SWG,SWG周期小于1.55μm,采用電子束光刻(E
2、BL)工藝實(shí)現(xiàn)精確加工以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。建立SWG分析模型,利用導(dǎo)模共振異常效應(yīng),將SWG設(shè)計(jì)成高性能反射諧振濾波器,將其集成到通信用諧振腔增強(qiáng)型光探測(cè)器(RCEPD)中。通過(guò)提升RCE PD性能,有助于推動(dòng)光纖通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。
主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
1.對(duì)具有一維、二維周期分布的SWG(簡(jiǎn)稱:1D—SWG,2D—SWG),以及具有分布布喇格反射鏡(DBR)堆棧膜系的SWG的衍射特性進(jìn)行研究,理論分
3、析方法是嚴(yán)格耦合波分析法(RCWA),時(shí)域有限差分方法(FDTD)和平面波展開(kāi)法(PWE)。其中RCWA是嚴(yán)格的解析分析法,精度高,計(jì)算速度快。FDTD作為數(shù)值方法,用計(jì)算時(shí)間和計(jì)算空間的代價(jià)彌補(bǔ)RCWA的不足,便于對(duì)有限周期分布的SWG結(jié)構(gòu)分析,RCWA與FDTD綜合使用保證仿真結(jié)果可靠性又可提高計(jì)算效率。PWE方法可從能帶的角度分析SWG的濾波本質(zhì)。
2.編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)上述理論分析,可對(duì)SWG的衍射效率以及集成了SWG的
4、RCE PD性能的分析,與已有文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了可靠性。可以分析SWG衍射效率、光探測(cè)器中光場(chǎng)分布、量子效率、串?dāng)_衰減、沖擊響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。
3.提出將SWG與InP系DBR集成,使SWG具有寬帶濾波效果,以便適應(yīng)工作在光通信C波段的InP材料系。RCWA與FDTD互補(bǔ)使用,用PWE進(jìn)行能帶分析,研究一維、二維周期分布的SWG,以及具有分布布喇格反射鏡(DBR)堆棧膜系的SWG的衍射特性與其周期
5、、厚度、占空比等參數(shù)的關(guān)系。對(duì)于2D—SWG綜合RCWA、FDTD)方法設(shè)計(jì)出反射率高于99%、波長(zhǎng)區(qū)間在1.47μm~1.5μm、峰值反射率大于99.9%的反射式濾波器。
4.提出將SWG以反射式諧振濾波器的形式應(yīng)用于InP系材料構(gòu)成的RCE PD中。該種光探測(cè)器工作在C波段,用于WDM光通信系統(tǒng)解復(fù)用光接收機(jī)。理論分析探測(cè)器中光場(chǎng)分布、量子效率、串?dāng)_衰減、沖擊響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。設(shè)計(jì)的RCE PD類型如
6、下:
1)具有一個(gè)一維周期分布的SWG;
2)具有一個(gè)二維周期分布的SWG;
3)具有兩個(gè)一維周期分布的SWG。
5.重點(diǎn)針對(duì)便于工藝實(shí)現(xiàn)的具有一個(gè)2D—SWG的RCE PD,通過(guò)研究其內(nèi)部呈現(xiàn)駐波效應(yīng)的光場(chǎng),指導(dǎo)吸收層位置的設(shè)置。理論分析表明SWG的引入使InP系材料反射鏡所需的介質(zhì)層數(shù)小于10對(duì),有望解決InGaAsP/InP系DBR反射率低、反射帶寬窄的問(wèn)題,器件量子效率超過(guò)
7、90%。臺(tái)面尺寸為30μm×30μm的具有一個(gè)1D—SWG的RCE PD3dB帶寬仿真結(jié)果為15GHz。
6.在實(shí)驗(yàn)上,與外單位合作,采用外延技術(shù)、EBL技術(shù)以及感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù),制備出InP基SWG結(jié)構(gòu),可以滿足具有優(yōu)化性能所需要的SWG的尺寸:SWG厚度265nm,周期為1.4μm,占空比為33%,粗糙起伏的平均高度從150nm減小到40nm左右。
7.設(shè)計(jì)并制備了針對(duì)具有SWG結(jié)構(gòu)的半
8、導(dǎo)體光探測(cè)器光刻掩膜版圖,為配合SWG的結(jié)構(gòu),引入方形臺(tái)面,加入了小尺寸倒”T”型對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和光柵掩膜層。
8.與他人合作,進(jìn)行納米線制備測(cè)試工作,完成了關(guān)于制備納米線所需的Au—Ga合金納米顆粒的原子力顯微鏡(Atomic ForceMicroscopy:AFM)測(cè)試,測(cè)試表明在不同的Au薄膜濺射厚度條件下,納米顆粒密度分別為1.64x1010cm-2,1.26x1010cm-2,2.2x109cm-2,掃描電子顯微鏡(S
9、canning Electron Microscopy:SEM)測(cè)試表明GaAs納米線的平均長(zhǎng)度分別為5.2μm,5.3μm,6.3μm,密度大于109cm-2。
9.根據(jù)微柵尺寸和SEM測(cè)試結(jié)果估算了透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy:TEM)測(cè)試所用GaAs納米線樣品面積只需1c㎡。用TEM測(cè)得了直徑分別為24nm,68nm和168nm的GaAs納米線樣品的形貌。分析納米線
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