基于光子晶體微腔的硅基集成器件的研究.pdf

1、隨著21世紀信息通信科學的大發(fā)展，人類對于數(shù)據(jù)計算交換速度的要求越來越高，對于數(shù)據(jù)交換量、傳輸帶寬的要求越來越大。光互連技術因其高傳輸速率、大傳輸帶寬的優(yōu)點被廣泛應用于信息處理領域，用于替代傳統(tǒng)的電互連技術。硅基集成光電芯片是將傳統(tǒng)電學器件與新型光子器件混合集成在同一個芯片上，實現(xiàn)Tb/s量級傳輸速率、fJ/bit量級功耗的光互連技術。硅基光互連技術因其超高傳輸速率、低功耗、高集成度、成熟的硅基工藝等優(yōu)勢，成為最有前景的下一代光互連方案

2、。硅基集成光子器件需要在微納米尺度上有效的調(diào)控光子。光子晶體是由不同介電常數(shù)的電介質(zhì)周期性排列而形成的，其光學能帶結(jié)構(gòu)特性使其能在微納米尺度上有效調(diào)控光子。在完美光子晶體結(jié)構(gòu)中引入點缺陷就構(gòu)成了光子晶體微腔，光子晶體微腔對特定頻率的光波有很強的光場限制能力，其具有品質(zhì)因子高、有效模式體積小、尺寸小、易于集成等優(yōu)點。光子晶體微腔已被廣泛應用于超低閾值激光器、集成光源、復用解復用器、高靈敏度傳感器、非線性光學、量子光學等領域中。
　　

3、本研究主要內(nèi)容包括：⑴探索開發(fā)了微納加工技術中關鍵的電子束曝光(EBL)工藝，在多種電子束膠、多種襯底上實現(xiàn)了高質(zhì)量的電子束曝光結(jié)果，同時開發(fā)了部分感應耦合等離子(ICP)刻蝕工藝。為后續(xù)的光子晶體微腔器件的實驗制備奠定了基礎。⑵理論研究并制備了高品質(zhì)因子硅基光子晶體微腔。制備的光子晶體L3腔的品質(zhì)因子超過已報道的同類腔型的品質(zhì)因子；提出了一種簡單的新穎設計方案，通過減小環(huán)形腔拐角處的空氣孔徑，實現(xiàn)了品質(zhì)因子為75200的光子晶體環(huán)形腔

4、，比之前報道的結(jié)果提高了兩個數(shù)量級，相關結(jié)果發(fā)表于OSA Optics Letters雜志。⑶研究了硅基光子晶體L3腔中光學非線性、光學雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在光子晶體波導與高品質(zhì)因子L3腔耦合系統(tǒng)中觀察到超低閾值的光學非線性及雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。由于腔的高品質(zhì)因子，腔中光學非線性得到極大增強，實驗觀察到的光學雙穩(wěn)態(tài)閾值功率為26.1?W，遠小于已報道的同類型光子晶體微腔的閾值功率；通過改變光子晶體波導與L3腔的耦合間距，實驗得到了臨界耦合狀態(tài)下的波導與

5、L3腔耦合系統(tǒng)，觀察到了低輸入功率、大調(diào)制深度的光學雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在開啟光功率為-12.1dBm時，開關對比度為7.7dB，調(diào)制深度達到70％，開關對比度、調(diào)制深度明顯大于弱耦合系統(tǒng)中的結(jié)果；建立了一套非線性耦合模理論模型，理論分析了光子晶體波導與L3腔耦合系統(tǒng)中各類光學效應。相關結(jié)果分別發(fā)表于 IEEE Photonics Journal與 Photonics Technology Letters雜志。⑷提出并實現(xiàn)了基于級聯(lián)光子晶體L3

6、腔的光二極管，利用腔中硅的非線性光吸收與熱光效應，實現(xiàn)了光波傳輸?shù)恼驅(qū)?、反向截止。光非互易性傳輸系?shù)達到30.8dB，插入損耗為8.3dB，17dB工作帶寬為80pm。同時建立了一套非線性耦合模模型，能有效分析級聯(lián)L3腔的光二極管的工作機理。該光二極管方案有非互易性傳輸系數(shù)大、尺寸小、易于集成等有優(yōu)點，在片上全光信號處理中極具應用潛力。相關結(jié)果發(fā)表于OSA Optics Letters雜志。⑸提出并實現(xiàn)了一種在波導上引入周期性空氣孔

7、的新型跑道型微環(huán)結(jié)構(gòu)，觀察到非均一自由頻譜寬度(FSR)的多諧振峰及強烈的慢光現(xiàn)象，在光子帶隙的帶邊附近獲得了37.6的群折射率。相關結(jié)果發(fā)表于IEEE Photonics Technology Letters雜志。⑹提出并實現(xiàn)了利用光子晶體環(huán)形腔增強鍺自組裝量子點發(fā)光，在1500-1600nm波長范圍內(nèi)觀察到六個尖銳的發(fā)光峰，Purcell因子約為2.1，并由此估算單鍺量子點的發(fā)光線寬小于25nm。利用模式體積更小的、優(yōu)化垂直方向出射