基于硅基Su-8光波導(dǎo)的微環(huán)諧振器及光電探測器研究.pdf

1、隨著光通信技術(shù)和光學(xué)傳感技術(shù)的快速發(fā)展，集成光子器件因為其獨特的優(yōu)勢如:高集成度、小型化等引起了廣泛的關(guān)注。在鈮酸鋰、SiO2、Si、InP、SiN、聚合物等各類集成光學(xué)材料中，聚合物材料因為其低成本，低損耗，工藝簡單等方面有著巨大的優(yōu)勢。除此之外，聚合物材料還具有很高的熱光系數(shù)，這對于低功耗的熱光開關(guān)，熱光非線性效應(yīng)很有利。本文基于SU-8聚合物材料，在通信波段設(shè)計并制作了兩種新型的高Q的微環(huán)器件，并對其中一種高Q值的微環(huán)基于SU-8

2、高熱光系數(shù)探究了非線性效應(yīng)。另外，針對SU-8聚合物材料在可見光波段具有更低的光學(xué)損耗以及硅材料在可見光波段的吸收特性，設(shè)計并制作了聚合物懸掛型波導(dǎo)硅探測器，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了片上集成傳感器。
　　本文回顧了平面光波導(dǎo)的基本理論，介紹了幾種常用的數(shù)值計算方法。首先介紹了波動方程理論，利用波動方程對平板波導(dǎo)的進(jìn)行了解析解和對條形波導(dǎo)的做了近似解。對于波導(dǎo)器件的精確求解，數(shù)值計算提供很好的思路，之后介紹了幾種常用的數(shù)值計算方法，包括光

3、束傳輸法，有限差分法和時域有限差分法等。
　　提出并實現(xiàn)了一種新型的微環(huán)諧振器(MRR)，該器件的耦合區(qū)是基于2×2角度型的多模干涉耦合儀（MMI），角度型MMI克服了傳統(tǒng)的MMI固定的分光特性，可以通過改變MMI的彎曲角度，得到連續(xù)可變的耦合系數(shù)。在文中，設(shè)計實現(xiàn)了一系列不同Q值的MRR，當(dāng)彎曲角度為3.25°時，微環(huán)的Q值最大，為25000。除此之外，角度型MMI制作容差大，工藝方便，而定向耦合器(DC)想要達(dá)到同等的耦合比，

4、兩波導(dǎo)的間隙要足夠的窄(＜1μm)，這樣就需要高精度的工藝設(shè)備，成本很高。最后文中將實驗結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者吻合的很好。
　　脊形波導(dǎo)由于有平板層的存在具有很小的損耗，基于這種波導(dǎo)，設(shè)計了一種跑道型微環(huán)器件，該器件的耦合區(qū)為DC，因為有了平板層的存在，耦合較容易發(fā)生，普通的接觸式光刻就能達(dá)到工藝要求。實驗中脊形波導(dǎo)的制作采用了兩次勻膠，兩次曝光的新的工藝方案，不需要傳統(tǒng)的制作脊形波導(dǎo)過程中的刻蝕工藝，從而避免了由于刻蝕帶

5、來的表面粗糙，降低了散射損耗。實驗得到了一系列不同耦合系數(shù)的MRR，Q值最高能達(dá)到34700。之后對其中一種耦合長度的MRR進(jìn)行了熱光非線性的研究，通過輸入不同功率的光，觀察到了由于較大的熱光系數(shù)，諧振峰發(fā)生了漂移，在此基礎(chǔ)上，觀察到了顯著的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，并將理論模型與實驗結(jié)果對比，吻合的很好。
　　利用SU-8聚合物在可見光波段更低的吸收，以及硅半導(dǎo)體材料在可見光波段的吸收特性，設(shè)計制作了懸掛波導(dǎo)型光電探測器，經(jīng)過一系列設(shè)計上