超薄型硅基集成波導布拉格光柵研究.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域的研究熱點和非常有前景的關鍵技術。布拉格光柵是一種非常重要的光學器件，在光纖通信與光子信息處理領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)波導布拉格光柵具有重要的學術研究價值和在集成光電子領域中的應用價值，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、基波導布拉格光柵結構更加緊湊，因此具備許多不同于光纖光柵的特征和用途。近年來眾多學者對硅基波導布拉格光柵的基本特性進行了廣泛而深入的研究，并成功地將硅基波導布拉格光柵應用于光學濾波、光延遲、波分復用、偏振分束和傳感等多個領域，硅基波導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。但目前硅基波導光柵的發(fā)展仍面臨多種問題，因此對硅基波導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用需求的多樣性要求進一步挖掘硅基

3、波導布拉格光柵的新功能。
　　本論文對硅基波導布拉格光柵的理論、加工和測試進行了一系列的研究，特別針對目前硅基波導布拉格光柵存在的問題提出了相應的改進方案，并利用硅基波導光柵實現(xiàn)了新的功能。本文的主要內容包括：
　　首先，本文介紹了硅基波導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光柵的工作機理進行了詳細的闡述。在此基礎上，推導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)的硅基波導光柵設計和實驗分析提供了必要的理論依據(jù)和指導方法。
　　接著，本文研究了一種將硅基波導光柵嵌入邁克爾遜干涉儀的結構，該結構可以無需光環(huán)行器，直接提取光柵的反射信號。詳細闡述了該結構的工作原理，并與現(xiàn)有提取光柵反射信號的結構進行了對比。介紹了啁啾波導光柵的工作原理，并對啁啾波導光柵進行了仿真分析和優(yōu)化設計。在啁啾波導光柵設計加工中，采用高度為220nm

5、的寬波導結構來實現(xiàn)窄帶濾波器并降低光柵性能受寬度噪聲的影響。寬波導結構支持高階模式。為此，在波導光柵的輸入輸出端口，本文采用錐形結構來抑制寬波導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，使得硅基波導光柵滿足248nm深紫外光刻加工工藝的要求。將優(yōu)化設計好的啁啾波導光柵嵌入到邁克爾遜干涉儀兩臂，進行了實驗加工和測試。實驗結果表明，該結構實現(xiàn)的帶通濾波器帶寬為0.4 nm，消光比為15dB；該啁啾波導光柵能夠用作光延遲線，可

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

7、性能。仿真結果表明梳狀濾波器的通道間隔能夠實現(xiàn)8.21nm到0.19nm的連續(xù)可調，相應的通道數(shù)目從1增加到65，消光比大于30dB。本文利用光柵切趾技術對可調梳狀濾波器的性能進行了優(yōu)化。該結構是硅基光電子芯片上提出的第一個通道間隔連續(xù)可調的梳狀濾波器。
　　由于220nm高硅基波導光柵通常需要采用多模波導來實現(xiàn)窄帶光柵濾波器，但多模波導光柵容易激發(fā)高階模式，惡化器件性能；另外波導高度為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，但目前許多實際應用的光柵器件的設計都針對一階光柵。針對上述缺點，本文提出了一種基于60nm超薄型波導結構來實現(xiàn)硅基波導光柵。理論分析了超薄型波導加工硅基波導光柵的特性。仿真結果表明，超薄型硅波導具備對光能量束縛能力弱、單模條件下波導寬度大等特點，相比于220nm高條形單模波導光柵，60nm高硅基條形單模波導易于實現(xiàn)小耦合系數(shù)的波導光柵，且波

9、導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、彎曲波導、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行了仿真設計和實驗研究。實驗結果表明，60nm高波導的損耗僅為0.61dB/cm，相比于同批次流片加工的220nm高脊型波導，損耗差不多降低到了原來的1/5。完成了對60nm高硅基波導光柵的加工與測試。硅基波導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、導光柵器件進行熱光調節(jié)。論文還實驗研究了光柵長度、耦合系數(shù)以及切趾設計對光柵性能的影響。通過調節(jié)相移，對波導光柵的延遲特性進行了研究，并實現(xiàn)了可調范圍為49ps的光延遲線。
　　針對硅基波導光柵性能易受波導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光柵結構，該結構使硅基波導光柵更加緊湊，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折射率、模式失配損耗和堆積效率

11、的影響。對螺旋形波導的光柵結構和有源調節(jié)結構進行了仿真分析和優(yōu)化設計。給出了60nm高超薄型均勻螺旋形波導光柵的測試結果。受螺旋形波導中心模式失配的影響，光柵禁帶中會出現(xiàn)一個極細的透射峰，透射峰的品質因達到了~105。為了對實驗結果進行深入的分析，本文利用勞爾德法建立了理論模型對實驗結果進行擬合。對硅基螺旋形波導光柵的熱調特性進行了深入的研究。實驗結果表明，禁帶中透射峰會隨S型波導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