基于光柵的硅基光子器件研究.pdf

1、隨著摩爾定律的不斷減慢，“More than Moore”的概念開始逐漸受到工業(yè)界和學術(shù)界的關(guān)注。硅基光子學作為“More than Moore”概念的重要候選方案，不僅可以提升現(xiàn)有多核心多處理器系統(tǒng)的計算能力，還可以拓展半導體器件功能的應用范圍。光柵作為一種在傳統(tǒng)光學中被廣泛采用的光學結(jié)構(gòu)，在硅基光子學中依然扮演著重要角色。因其易于制造和與CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）工藝相

2、兼容的特點，光柵被應用于多種硅基光子器件中，如混合集成激光器，耦合器，反射器和生物傳感器等。多樣的實現(xiàn)方式和靈活的可設(shè)計性使得光柵結(jié)構(gòu)在硅基光子器件的小型化，集成化和豐富化等方面依舊是一個非常具有吸引力的研究課題。本文的研究主要集中于光柵在分布式反饋諧振腔，波導與光纖耦合器以及反向耦合器方面的應用。論文主要的研究成果與創(chuàng)新可以總結(jié)為以下幾個方面：
　?。?）為了探索通過增大分布式反饋諧振腔的模式體積來囊括更多量子點以提高發(fā)光功率的

3、可能性，本文提出了縱向模場拉伸方法以增大模式體積，在220nm頂厚絕緣體上的硅（SOI Silicon-on-insulator）上實驗實現(xiàn)了一個具有75.39μm3模式體積的四分之一相移分布式反饋諧振腔，是光子晶體微腔模式體積的1000多倍。諧振峰的線寬為69pm，消光比為15dB。同時，通過與其他參數(shù)諧振腔的對比，驗證了縱向模場拉伸增大模式體積的設(shè)計方法。
　?。?）為了研究鍺量子點在大模式體積諧振腔中的發(fā)光特性，實驗制作并測

4、試了具有側(cè)向電流注入結(jié)構(gòu)的四分之一相移分布式反饋諧振腔器件。該器件基于嵌有分子束外延生長的30層鍺量子點的脊形波導制作，波導總厚度為790nm。在40mA的注入電流下測得了寬譜的電致發(fā)光譜線，說明此時鍺量子點依舊為自發(fā)輻射發(fā)光。
　?。?）設(shè)計并制造了兩種在多模平板上具有緊湊型結(jié)構(gòu)的新型光柵耦合器：在700nm頂厚絕緣體上的氮化硅（SNOI Silicon nitride-on-insulator）上設(shè)計了針對條形波導的光柵耦合器

5、，尺寸僅為70.2μm×19.7μm，達到了-3.7dB的峰值耦合效率與54nm的1dB耦合帶寬；在790nm頂厚的SOI上設(shè)計了針對脊形波導的光柵耦合器，得到了-6.18dB的峰值耦合效率和45.8nm的3dB耦合帶寬。
　?。?）提出并實驗實現(xiàn)了一種新型雙模式通道光柵輔助反向耦合濾波器，利用疊加的混合波導光柵同時實現(xiàn)了基模和一階模式反向耦合濾波。模擬結(jié)果顯示通過疊加兩個切趾的波導光柵可以實現(xiàn)對耦合邊帶、串擾、自反射和反射耦合的

6、同時抑制。該器件可以配置為多種應用功能，本文通過實驗展示了一種模式可選擇下載濾波器，測試得到通帶中心波長為1548.0nm，3dB帶寬為2.54nm，模式選擇所需的熱光調(diào)制溫度為50K。
　　（5）提出并系統(tǒng)分析了一種新型多波導分布式反饋諧振腔，該腔的諧振模式在多條波導中同時諧振，并同時具有單模諧振特性。理論計算表明多波導分布式反饋諧振腔具有數(shù)倍于單波導分布式反饋諧振腔的模式體積，并同時擁有更小的凈閾值增益密度。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上