硅基微納波導器件研究.pdf

1、硅作為微電子產(chǎn)業(yè)的基石，在光通信波段展現(xiàn)了近乎透明的信號傳輸能力。光擔任信息時代的使者，肩負著克服“電子傳輸瓶頸”的使命。兩者的結合不但可以實現(xiàn)片上的光電集成以期在更短的傳輸距離上由光接替電實現(xiàn)更大帶寬的數(shù)據(jù)交換，也使得傳統(tǒng)的分立光器件可以利用成熟的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝進行小尺寸、低成本的規(guī)?；a(chǎn)。近年來，隨著技術的不斷積累以及市場需求的逐漸顯現(xiàn)，對于硅基光子學的研究已經(jīng)取得了長足的進展。其應用潛力也覆蓋了從光通信用光

2、模塊、芯片級光互聯(lián)、光學生物傳感、非線性光學到微波光子學等多個領域。而所有這些基于硅光技術的應用得以實現(xiàn)的前提都是要設計并制備出高性能的硅基微納波導器件。本論文針對其中的一些應用設計并展示了幾種新型的硅基微納波導器件，主要包括：
　　(1)理論設計了兩種硅基耦合微環(huán)諧振器結構來提高高速寬帶信號的四波混頻轉換效率。兩種器件結構通過針對參與四波混頻過程的相互作用光波設計不同的諧振帶寬及光場倍增因子達到了改善帶寬與轉換效率間限制的目的。

3、計算結果表明相比于具有相同光程的硅基單微環(huán)諧振器，兩種器件結構能夠分別獲得5dB和14dB的轉換效率提升。同時，兩個器件的下載端都實現(xiàn)了高于17dB的自濾波泵浦抑制。
　　(2)理論設計了一種反射率可調的硅基單波長反射器。在忽略損耗的理想情況下，該器件能夠在保證峰值反射波長不變的同時實現(xiàn)反射率從0到1的調諧。此外，通過結合所設計的單波長反射器與基于微環(huán)的可調光延時器建議了一種片上可重構的光相關器結構。該光相關器可用于實現(xiàn)光分組交換

4、網(wǎng)絡中的分組頭信息識別功能。
　　(3)設計并實驗制備了一種硅基空氣模光子晶體微環(huán)諧振器。該器件能夠同時實現(xiàn)微環(huán)諧振和光子晶體慢光所產(chǎn)生的光和物質相互作用的增強。另外，通過設計器件工作在光子晶體的空氣帶，光場被更多地壓縮進了光子晶體孔中。實驗測得的器件的最高Q值約為14600，其最大群折射率值約為27.3。仿真結果表明相比于工作在介質帶的光子晶體微環(huán)諧振器，該器件的光子晶體孔中的光場限制比提高了近6.4倍。通過結合功能性材料，該器

5、件有希望用于光學生物傳感、片上光發(fā)射和非線性光學等應用。
　　(4)設計并實驗制備了一種諧振間隔可調的硅基單微環(huán)諧振器。該器件通過在微環(huán)內引入反射率可調的反射元使得微環(huán)中兩個反向傳輸?shù)念l率簡并諧振模發(fā)生耦合，從而實現(xiàn)了諧振間隔的調諧。所制備的器件在9.82mW的加熱功耗內完成了從零到一整個自由光譜范圍的諧振間隔調諧。此外，該器件還可用于實現(xiàn)平頂?shù)膸ё铻V波。這種器件結構所展示的諧振間隔和諧振譜形的調諧能力使得其適合于可重構光學濾波以

6、及微波光子學等應用。
　　(5)理論及實驗證實了硅基亞波長光柵波導強的非線性容忍度。首先，基于波導截面的光場模式分布計算了其等效非線性系數(shù)。相比于硅基條波導，亞波長光柵波導展現(xiàn)了超過一個數(shù)量級的非線性系數(shù)減小。隨后，通過結合波分復用技術與高階調制格式，在實驗制備的硅基亞波長光柵波導上完成了75個波長通道總速率達2.86Tbit/s的數(shù)據(jù)信號傳輸測試。相比于具有相同長度的硅基條波導，該亞波長光柵波導的最佳信號輸入功率提高了近8dB，

7、表明了其對非線性傳輸損傷更強的容忍度。
　　(6)設計并實驗制備了兩種工作在O波段的四通道氮化硅波分復用器件。器件采用級聯(lián)馬赫曾德干涉儀的結構實現(xiàn)了平頂?shù)姆植ê喜ㄇ彝ǖ啦ㄩL分別滿足局域網(wǎng)波分復用(LAN WDM)和粗波分復用(CWDM)的光接口規(guī)范要求。兩種器件中，各通道的插損均小于1.8dB，通道間串擾低于-15dB，1dB通帶帶寬超過了通道間隔的59％。另外，由于氮化硅材料具有較小的熱光系數(shù)，兩種波分復用器件展示了約18.5p