硅基微環(huán)諧振器的設計制作及非線性應用.pdf

1、21世紀是一個高度信息化的時代，信息的傳輸、處理和存儲面臨越來越高的要求，傳統(tǒng)的電互連技術正面臨信號延遲、功耗和散熱等“電子瓶頸”，取而代之的，光互連技術因不存在RC延遲、傳輸速率快、抗電磁串擾、傳輸帶寬大、傳輸能耗低等優(yōu)點被廣泛應用于信息處理領域。
　　絕緣體上硅材料（Silicon-on-insulator，簡稱SOI）由于其在通信波段透明、折射率差大以及與標準的CMOS(Complementary-Metal-Oxide-S

2、emiconductor)工藝完全兼容等優(yōu)點成為最熱門的低成本高集成度光互連平臺。在眾多硅基光子集成器件中，微環(huán)諧振器由于對特定的波長諧振增強、光傳輸?shù)姆较蚝吐窂娇煽?、結構緊湊、設計自由度大、便于與其它器件集成等優(yōu)點，成為光子集成回路中最重要的基礎功能單元之一，被用來構建多種不同用途的集成光學器件。由于微環(huán)諧振器對光強有較大的諧振增強作用，微環(huán)內(nèi)的光功率密度比直波導內(nèi)的大很多倍，其中的非線性效應將更加顯著。
　　本論文全面、深入地

3、研究了硅基微環(huán)諧振器的工作原理和性質，詳細闡述了微環(huán)諧振器的設計方法，探索了制作微環(huán)諧振器的重要工藝過程，并對微環(huán)諧振器中的光學非線性現(xiàn)象和光頻梳應用展開了理論與實驗研究。本文的研究成果可以總結為以下幾個方面：
　　(1)探索開發(fā)了基于不同材料體系（硅、二氧化硅、氮化硅等）的精密微納加工工藝，主要包括材料沉積、電子束曝光、紫外光刻、等離子體感應耦合(ICP)干法刻蝕、濕法刻蝕、蒸鍍剝離等。詳細探索并優(yōu)化了多種膠在多種襯底上的電子束

4、曝光工藝；開發(fā)了不同材料體系上的Bosch分步深刻蝕、同步淺刻蝕、各向同性刻蝕的硅基 ICP干法刻蝕和濕法腐蝕工藝，制備了高質量的波導、光柵、光子晶體、微環(huán)等。
　　(2)設計并制備了單次刻蝕的垂直光柵耦合SOI微環(huán)諧振器，雙端光柵耦合效率最高可達-8 dB，即40％，3 dB帶寬約為35 nm，半徑為40μm時，其Q值約為55329，消光比ER為18 dB，制備的SOI微環(huán)諧振器已達到國際先進水平，其雙穩(wěn)態(tài)和四波混頻等非線性效應

5、明顯，為低功耗集成非線性器件奠定了基礎。另外，通過在微環(huán)中引入MZI結構，利用熱電級調(diào)制MZI雙臂，在功耗9.82 mW時，首次實現(xiàn)了微環(huán)諧振器的諧振間隔從零到一整個FSR（1.17nm）的連續(xù)可調(diào)。
　　(3)首次設計并制備了應用于厚 Si3N4薄膜上的聚焦型高耦合效率寬譜光柵耦合器，該耦合器結合倒錐和聚焦型光柵齒，結構緊湊，制作簡單，耦合效率高，對準容差大，便于器件的大面積制備與測試。耦合器的尺寸為70.2μm×19.7μm，

6、最佳耦合效率-3.7 dB，1-dB帶寬54 nm。
　　(4)提出了SU-8覆蓋的刻蝕型端面耦合方案。使用相向的錐形結構，結合聚合物曝光與端面刻蝕的方法，通過電子束曝光獲得聚合物與光纖的耦合端面，提高端面質量，減小耦合損耗。模擬得到的光場從氮化硅波導到 SU-8波導中的模式耦合損耗共為0.24 dB。
　　(5)深入研究基于片上微環(huán)諧振器的光學頻率梳產(chǎn)生原理，設計并制作了C波段內(nèi)寬帶零色散平坦、耦合效率可控的Si3N4上微