基于載流子動力學(xué)的硅基表面等離子體調(diào)制器與光濾波器的研究.pdf

1、隨著光信息處理和片上光互連需求的不斷增加，以及硅基光子器件與CMOS工藝兼容的特點，硅基光子學(xué)結(jié)合硅材料與光子學(xué)在國內(nèi)外不斷取得引人注目的重要突破，成為當(dāng)前集成光學(xué)的研究熱點領(lǐng)域之一。其研究內(nèi)容主要包括設(shè)計各種結(jié)構(gòu)和功能的光子器件，并在硅基材料上加以制作，同時開展混合集成以及光電集成方向的研究與實現(xiàn)。硅材料由于其結(jié)構(gòu)的中心對稱性，不存在一階電光效應(yīng)(Pockels)，但是通過載流子動力學(xué)原理可以對硅基器件進(jìn)行調(diào)制，從而增強(qiáng)了器件的性能，

2、擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。硅基光子器件的基礎(chǔ)器件包括濾波器、緩存器、調(diào)制器、開關(guān)、激光器和探測器等?，F(xiàn)今，提高器件性能以及減小光子器件的尺寸用以提高芯片集成密度是必然趨勢，因此巧妙的設(shè)計硅基波導(dǎo)光學(xué)結(jié)構(gòu)及電學(xué)結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)高性能以及微型化光子器件具有重要意義。
　　本文首先對集成電路制造工藝制作硅基光子器件方面進(jìn)行了探索，然后重點進(jìn)行了硅基表面等離子體相位/強(qiáng)度調(diào)制器和可調(diào)光濾波器的研究。其主要內(nèi)容為：
　　(1)利用中國科學(xué)院蘇州納

3、米技術(shù)與納米仿生研究所的開放平臺，探索了兩種制作無源硅基光子器件的工藝流程：基于感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕的工藝流程和基于干氧氧化的工藝流程。研究了相關(guān)的工藝包括光刻、刻蝕、淀積和氧化等。掃描電子顯微鏡(SEM)圖片及測試結(jié)果表明波導(dǎo)具有良好的形貌、光滑的側(cè)壁以及較小的損耗。此外還給出可調(diào)硅基光子器件制作的工藝流程。
　　(2)設(shè)計并分析了新型的基于硅材料載流子色散效應(yīng)和聚合物電光效應(yīng)的表面等離子體相位和強(qiáng)度調(diào)制器。該調(diào)制器為

4、金屬-介質(zhì)-硅(MOS)三層堆棧結(jié)構(gòu)，光能量被緊密束縛在兩側(cè)納米尺寸的低折射率介質(zhì)層內(nèi)。對于相位調(diào)制器，通過對等離子體波導(dǎo)施加外部電壓，利用硅材料載流子色散效應(yīng)和聚合物的直接電光效應(yīng)改變等離子體波導(dǎo)的有效折射率，從而實現(xiàn)相位調(diào)制功能。仿真分析表明由于極化聚合物具有很高的電光效應(yīng)，以及光能量與聚合物有較大的交疊，RC延時<3.77ps，對應(yīng)調(diào)制帶寬>100GHz，同時功耗～0.9mW。對于強(qiáng)度調(diào)制器，通過表面等離子體偶/奇兩個模式相互拍頻

5、形成能量的轉(zhuǎn)移。在對等離子體波導(dǎo)施加外部電壓后，利用聚合物的直接電光效應(yīng)改變等離子體波導(dǎo)偶/奇模的有效折射率。由于偶/奇模經(jīng)歷不同的相位延時，拍頻周期發(fā)生改變，從而影響波導(dǎo)輸出端能量的分布。仿真分析表明調(diào)制深度～12dB，RC延時<6ps，對應(yīng)調(diào)制帶寬>40GHz，同時功耗～1mW。
　　(3)設(shè)計并制作了一種新型的自耦合(SCOW)諧振腔。利用光波在諧振腔波導(dǎo)內(nèi)雙向(正向和逆向)傳播的特性，克服傳統(tǒng)級聯(lián)微環(huán)頻率需嚴(yán)格對準(zhǔn)的不足。

6、實驗結(jié)果顯示自耦合諧振腔的透射譜可呈現(xiàn)諧振為單通道和雙通道兩種形式,分裂特性與兩個耦合系數(shù)有關(guān)。此外還設(shè)計并制作了一個基于2×2馬赫曾德干涉儀(MZI)的可調(diào)自耦合諧振腔。通過在MZI的一個臂上注入載流子來改變兩臂之間的相位差使得耦合系數(shù)隨之改變，從而調(diào)節(jié)頻譜的特性。該結(jié)構(gòu)可作為高階濾波器應(yīng)用于大規(guī)模集成(VLSI)光信號處理中。
　　(4)設(shè)計并制作了一個可調(diào)FP腔梳狀濾波器，該濾波器包含一對Sagnac環(huán)形反射鏡。利用FP腔的