超薄型硅基集成波導(dǎo)布拉格光柵研究.pdf

1、隨著人們對信息容量、速度以及成本的迫切要求，硅基集成光電子芯片憑借高集成度、低成本，與現(xiàn)有 CMOS工藝兼容等諸多優(yōu)勢，成為了光通信和光互連等領(lǐng)域的研究熱點和非常有前景的關(guān)鍵技術(shù)。布拉格光柵是一種非常重要的光學(xué)器件，在光纖通信與光子信息處理領(lǐng)域有著廣泛和重要的作用。因此，在硅基光電子芯片上實現(xiàn)波導(dǎo)布拉格光柵具有重要的學(xué)術(shù)研究價值和在集成光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用價值，成為了近年來的研究熱點之一。
　　由于SOI材料具備高折射率差的特點，硅

2、基波導(dǎo)布拉格光柵結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此具備許多不同于光纖光柵的特征和用途。近年來眾多學(xué)者對硅基波導(dǎo)布拉格光柵的基本特性進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并成功地將硅基波導(dǎo)布拉格光柵應(yīng)用于光學(xué)濾波、光延遲、波分復(fù)用、偏振分束和傳感等多個領(lǐng)域，硅基波導(dǎo)布拉格光柵成為了集成光電子芯片中不可或缺的組成部分。但目前硅基波導(dǎo)光柵的發(fā)展仍面臨多種問題，因此對硅基波導(dǎo)布格拉光柵的研究是一項有意義且富有挑戰(zhàn)性的課題；另外硅基光電子芯片應(yīng)用需求的多樣性要求進(jìn)一步挖掘硅基

3、波導(dǎo)布拉格光柵的新功能。
　　本論文對硅基波導(dǎo)布拉格光柵的理論、加工和測試進(jìn)行了一系列的研究，特別針對目前硅基波導(dǎo)布拉格光柵存在的問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并利用硅基波導(dǎo)光柵實現(xiàn)了新的功能。本文的主要內(nèi)容包括：
　　首先，本文介紹了硅基波導(dǎo)布拉格光柵的基本原理、重要參數(shù)和仿真分析方法。利用耦合模理論對硅基波導(dǎo)光柵的工作機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了均勻布拉格光柵的透射率、反射率、耦合系數(shù)、布拉格波長和禁帶寬度等參數(shù)

4、的解析式。介紹了三種非均勻波導(dǎo)光柵的仿真計算方法以及各自的優(yōu)缺點，為后續(xù)的硅基波導(dǎo)光柵設(shè)計和實驗分析提供了必要的理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。
　　接著，本文研究了一種將硅基波導(dǎo)光柵嵌入邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以無需光環(huán)行器，直接提取光柵的反射信號。詳細(xì)闡述了該結(jié)構(gòu)的工作原理，并與現(xiàn)有提取光柵反射信號的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比。介紹了啁啾波導(dǎo)光柵的工作原理，并對啁啾波導(dǎo)光柵進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。在啁啾波導(dǎo)光柵設(shè)計加工中，采用高度為220nm

5、的寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)窄帶濾波器并降低光柵性能受寬度噪聲的影響。寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持高階模式。為此，在波導(dǎo)光柵的輸入輸出端口，本文采用錐形結(jié)構(gòu)來抑制寬波導(dǎo)光柵中高階模式的產(chǎn)生，并通過光柵的二階反射來增加光柵周期，使得硅基波導(dǎo)光柵滿足248nm深紫外光刻加工工藝的要求。將優(yōu)化設(shè)計好的啁啾波導(dǎo)光柵嵌入到邁克爾遜干涉儀兩臂，進(jìn)行了實驗加工和測試。實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的帶通濾波器帶寬為0.4 nm，消光比為15dB；該啁啾波導(dǎo)光柵能夠用作光延遲線，可

6、調(diào)延遲量為60ps?；谙嗤慕Y(jié)構(gòu)，本文提出了一種通道間隔可調(diào)的梳狀濾波器，通過調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀一臂上的線性啁啾光柵，能夠?qū)崿F(xiàn)梳狀濾波器通道間隔的連續(xù)可調(diào)。本文對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和建模仿真。器件的有源調(diào)節(jié)是基于熱光效應(yīng)原理。為了實現(xiàn)該效應(yīng)，本文在課題組已有的工作基礎(chǔ)上，仿真設(shè)計了一種波導(dǎo)型熱電阻，并計算了該結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)節(jié)效率和載流子吸收效應(yīng)引入的損耗。將上述仿真結(jié)果代入可調(diào)梳狀濾波器結(jié)構(gòu)的理論模型中，分析了可調(diào)梳狀濾波器的有源調(diào)節(jié)

7、性能。仿真結(jié)果表明梳狀濾波器的通道間隔能夠?qū)崿F(xiàn)8.21nm到0.19nm的連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)的通道數(shù)目從1增加到65，消光比大于30dB。本文利用光柵切趾技術(shù)對可調(diào)梳狀濾波器的性能進(jìn)行了優(yōu)化。該結(jié)構(gòu)是硅基光電子芯片上提出的第一個通道間隔連續(xù)可調(diào)的梳狀濾波器。
　　由于220nm高硅基波導(dǎo)光柵通常需要采用多模波導(dǎo)來實現(xiàn)窄帶光柵濾波器，但多模波導(dǎo)光柵容易激發(fā)高階模式，惡化器件性能；另外波導(dǎo)高度為220nm的一階光柵周期小，為了滿足248n

8、m深紫外光刻加工工藝的要求，需要采用高階反射來增加光柵周期，高階和一階光柵的耦合系數(shù)存在很大不同，但目前許多實際應(yīng)用的光柵器件的設(shè)計都針對一階光柵。針對上述缺點，本文提出了一種基于60nm超薄型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)硅基波導(dǎo)光柵。理論分析了超薄型波導(dǎo)加工硅基波導(dǎo)光柵的特性。仿真結(jié)果表明，超薄型硅波導(dǎo)具備對光能量束縛能力弱、單模條件下波導(dǎo)寬度大等特點，相比于220nm高條形單模波導(dǎo)光柵，60nm高硅基條形單模波導(dǎo)易于實現(xiàn)小耦合系數(shù)的波導(dǎo)光柵，且波

9、導(dǎo)光柵受寬度噪聲影響小，適用于248nm深紫外光刻加工工藝，成本更低。本文對60nm高直波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)、多模干涉儀和馬赫增德爾干涉儀等一系列硅基光電子器件進(jìn)行了仿真設(shè)計和實驗研究。實驗結(jié)果表明，60nm高波導(dǎo)的損耗僅為0.61dB/cm，相比于同批次流片加工的220nm高脊型波導(dǎo)，損耗差不多降低到了原來的1/5。完成了對60nm高硅基波導(dǎo)光柵的加工與測試。硅基波導(dǎo)光柵最大的消光比為50dB，最小帶寬為0.67nm。利用集成熱電阻對硅基波

10、導(dǎo)光柵器件進(jìn)行熱光調(diào)節(jié)。論文還實驗研究了光柵長度、耦合系數(shù)以及切趾設(shè)計對光柵性能的影響。通過調(diào)節(jié)相移，對波導(dǎo)光柵的延遲特性進(jìn)行了研究，并實現(xiàn)了可調(diào)范圍為49ps的光延遲線。
　　針對硅基波導(dǎo)光柵性能易受波導(dǎo)高度波動而惡化的問題，本文研究了一種新型的螺旋形波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使硅基波導(dǎo)光柵更加緊湊，能降低芯片高度波動對光柵性能的影響。分析了螺旋形波導(dǎo)各參數(shù)對光柵性能的影響，重點研究了彎曲半徑對螺旋形波導(dǎo)折射率、模式失配損耗和堆積效率

11、的影響。對螺旋形波導(dǎo)的光柵結(jié)構(gòu)和有源調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。給出了60nm高超薄型均勻螺旋形波導(dǎo)光柵的測試結(jié)果。受螺旋形波導(dǎo)中心模式失配的影響，光柵禁帶中會出現(xiàn)一個極細(xì)的透射峰，透射峰的品質(zhì)因達(dá)到了~105。為了對實驗結(jié)果進(jìn)行深入的分析，本文利用勞爾德法建立了理論模型對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合。對硅基螺旋形波導(dǎo)光柵的熱調(diào)特性進(jìn)行了深入的研究。實驗結(jié)果表明，禁帶中透射峰會隨S型波導(dǎo)上方的加載功率周期性地移動。論文對不同彎曲半徑的螺旋形波