硅基耦合微腔的光學(xué)非線性特性與應(yīng)用.pdf

1、當(dāng)今，低成本集成光電子器件高速發(fā)展，對于未來高速傳輸、大數(shù)據(jù)的信息傳輸需求越來越高。實現(xiàn)芯片間以及片上光互連已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，采用硅基的光電子器件，可以實現(xiàn)光子作用代替電子在電子電路方面的各種功能，同時也面臨巨大挑戰(zhàn)。完善的微電子加工工藝很大程度上促進(jìn)了硅光電子學(xué)的發(fā)展，成就了今天超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展。硅材料是微電子學(xué)領(lǐng)域的主要材料，也是非常適合于片上光互連，同時它用于光互聯(lián)具備三大優(yōu)勢：光通信波段透明，在光波波長為1523

2、nm時，Si的本征吸收損耗僅為0.004dB/cm，損耗基本可以忽略；SOI等材料具備高折射率差，對光有很好的限制；與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容?，F(xiàn)今已經(jīng)研究實現(xiàn)了在SOI上制作出光開關(guān)、光學(xué)隨機(jī)存取存儲器、光調(diào)制器和陣列波導(dǎo)光柵等諸多性能優(yōu)良的光波導(dǎo)器件。光學(xué)非線性是實現(xiàn)光學(xué)隨機(jī)存儲（O-RAM）、全光開關(guān)和光學(xué)二極管等光學(xué)信號處理器件的基礎(chǔ)，而雙穩(wěn)態(tài)器件是利用光學(xué)非線性效應(yīng)實現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)。雙穩(wěn)態(tài)的研究目前實現(xiàn)了很多功能器件，然而耦合

3、結(jié)構(gòu)的微腔諧振器、及其多雙穩(wěn)態(tài)，多穩(wěn)態(tài)等復(fù)雜現(xiàn)象研究很少。硅基光子技術(shù)與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容、與集成電路兼容，是理想的光子集成平臺。
　　本論文對硅基微環(huán)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論設(shè)計和實驗研究，主要內(nèi)容包括：對其中關(guān)鍵的非線性效應(yīng)、雙環(huán)諧振器實現(xiàn)O-RAM和硅基全光二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究；制造工藝和測試系統(tǒng)研究；硅基全光二極管器件的實驗研究。其主要內(nèi)容和研究成果如下：
　　（1）對硅基微環(huán)耦合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論分析及模型建立。主要包

4、括：單腔和雙腔結(jié)構(gòu)的非線性理論研究；構(gòu)建硅基全光二極管的理論模型，即考慮微環(huán)諧振腔的非線性效應(yīng)建立非對稱 FP腔-微環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣模型。為后續(xù)對硅基全光二極管的實驗特性進(jìn)行理論分析奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）雙環(huán)微腔與波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的特性與應(yīng)用研究。利用建立的非線性傳輸矩陣算法，研究了雙環(huán)微腔與波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的三穩(wěn)態(tài)特性，討論了三穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)光開關(guān)和光存儲方面的應(yīng)用。
　?。?）設(shè)計了一種FP腔-微環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的單峰雙向硅基光學(xué)二極

5、管。通過硅基非對稱FP腔和微環(huán)耦合，以及非線性效應(yīng)，實現(xiàn)了簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率可調(diào)的雙向硅基光學(xué)二極管。器件在2.05dBm的輸入功率和-6.95dBm的輸入功率下，分別實現(xiàn)了-15.38dB和30.88dB的非互易傳輸系數(shù)（NTR），插入損耗分別為11.66dB和17.14dB。
　　（4）設(shè)計了一種FP腔-微環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的劈裂峰雙向硅基光學(xué)二極管?；谖h(huán)表面粗糙度引起的反射，實現(xiàn)了劈裂峰的光學(xué)非互易，光學(xué)非互易傳輸系數(shù)為35.