硅基光子晶體波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其耦合器件的研究.pdf

1、隨著信息爆炸時(shí)代的到來，以電子作為信息載體的傳統(tǒng)微電子技術(shù)面臨著巨大的困難和壓力，而以光子作為信息載體的硅基集成光電子為微電子產(chǎn)業(yè)提供了新器件、新互連技術(shù)和新集成方案，并且可與現(xiàn)有微電子工藝技術(shù)兼容，能夠用低成本獲得高性能低功耗的光學(xué)器件，被廣泛地認(rèn)為是微電子產(chǎn)業(yè)中最有潛力的競(jìng)爭(zhēng)者，也被認(rèn)為是進(jìn)一步延展摩爾定律的領(lǐng)航者。硅基光電子集成電路中，最基本的光波導(dǎo)類器件成為研究的熱點(diǎn)，其中硅基光子晶體波導(dǎo)類器件體積相對(duì)較小，彎曲損耗低，可利用慢

2、光增強(qiáng)非線性效應(yīng)等特性，使其受到了密切的關(guān)注和廣泛的研究。
　　本論文將從光子晶體的基本理論出發(fā)，介紹光子晶體類器件的數(shù)值模擬方法，然后具體給出光子晶體波導(dǎo)的理論設(shè)計(jì)及其波導(dǎo)特性的分析方法，重點(diǎn)進(jìn)行了零色散型光子晶體波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并以硅基光子晶體波導(dǎo)為核心，重點(diǎn)進(jìn)行了零色散型光子晶體波導(dǎo)和狹縫型光子晶體波導(dǎo)的耦合器件原型設(shè)計(jì)和工作機(jī)理的分析。全文的研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)提出了三種新型零色散光子晶體平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即普通

3、型橢圓孔光子晶體平板波導(dǎo)、交替型橢圓孔光子晶體平板波導(dǎo)和孔殘缺型光子晶體平板波導(dǎo)。采用平面波展開法對(duì)新型光子晶體平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能帶計(jì)算和波導(dǎo)特性的分析。針對(duì)橢圓孔光子晶體波導(dǎo)，分析了橢圓孔形狀的改變對(duì)能帶和光學(xué)特性參數(shù)的影響，并探討了平板有效折射率對(duì)其慢光特性的影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，可在交替型橢圓孔光子晶體平板波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)約16納米的低色散慢光傳輸，群折射率為42，歸一化延遲帶寬積可達(dá)0.466，并且利用時(shí)域有限差分法進(jìn)行脈沖傳輸后

4、，發(fā)現(xiàn)慢光傳輸時(shí)脈沖延時(shí)3.06皮秒且脈沖展寬僅為2.7％。針對(duì)孔殘缺型光子晶體平板波導(dǎo)，分析了孔殘缺區(qū)的寬度和光子晶體波導(dǎo)中心波導(dǎo)區(qū)的寬度對(duì)其慢光特性的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)約51納米的超寬帶、低色散和高歸一化延遲帶寬積的慢光。
　　(2)針對(duì)零色散型光子晶體平板波導(dǎo)，提出了一種基于條形波導(dǎo)的側(cè)向耦合方案。利用平移靠近中心波導(dǎo)區(qū)的前兩排孔，得到零色散型光子晶體波導(dǎo)。利用平面波展開法，分別對(duì)零色散型光子晶體平板波導(dǎo)和條形波導(dǎo)進(jìn)

5、行了能帶分析，得到了不同光子晶體平板波導(dǎo)中心波導(dǎo)區(qū)寬度和不同條形波導(dǎo)寬度下實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)所需的相位匹配條件，并利用時(shí)域有限差分法對(duì)相位匹配條件進(jìn)行了驗(yàn)證，在相位匹配條件下此種耦合器件可在約36微米長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高約為-3 dB的耦合效率。
　　(3)針對(duì)狹縫型光子晶體平板波導(dǎo)，提出了一種基于亞波長(zhǎng)量級(jí)光柵波導(dǎo)的側(cè)向耦合方案。通過調(diào)整狹縫型光子晶體平板波導(dǎo)中狹縫的寬度，可以得到兩種不同的模式，利用平面波展開法，對(duì)狹縫型光子晶體平板波導(dǎo)中的