硅基光波導(dǎo)器件端面耦合結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、在光通信、互連網(wǎng)和計(jì)算機(jī)等信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的今天,數(shù)據(jù)傳輸與信息處理的速度已經(jīng)逐漸向Tbit/s量級(jí)邁進(jìn),而傳統(tǒng)的電互連技術(shù)已經(jīng)難以滿足高速通信及高性能微電子芯片進(jìn)一步發(fā)展的需求。硅基光互連作為現(xiàn)在最有前途的解決方案之一,已經(jīng)逐漸的成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。硅基光電子器件具有與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容、可與微電子集成電路集成、尺寸緊湊、功耗小、成本低和潛在高速等諸多優(yōu)點(diǎn)。
　　由于硅與 SiO2或者空氣具有非常大的折射率差,硅基的光波導(dǎo)

2、具有很強(qiáng)的限制光場(chǎng)的能力,硅基的光波導(dǎo)可以制作成非常小的尺寸,通常其橫截面尺寸小于1μm。這樣的非常小尺寸的硅波導(dǎo)帶來(lái)高器件集成度的同時(shí),也帶了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題——硅波導(dǎo)與光纖的耦合損耗非常大。一般來(lái)說(shuō),單模光纖的芯徑尺寸約為8~10μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫截面尺寸通常小于1μm的SOI光波導(dǎo),光從光纖進(jìn)入這種小尺寸的波導(dǎo)通常會(huì)帶來(lái)很大的損耗,為了實(shí)現(xiàn)光纖與小尺寸波導(dǎo)的高效耦合,我們就需要制作模斑變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)光從光纖到波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換。反向楔形模斑

3、變換器是現(xiàn)在硅基光子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最多的模斑變換器之一,其具有很高的耦合效率、帶寬非常大、易于做水平端面的封裝、制作相對(duì)簡(jiǎn)單、偏振相關(guān)度低等優(yōu)點(diǎn)。
　　本論文深入研究了硅波導(dǎo)的數(shù)值模擬的理論方法、詳細(xì)分析了硅波導(dǎo)的損耗的三種主要來(lái)源吸收、散射、泄漏。根據(jù)分析得出了波導(dǎo)側(cè)壁的損耗是我們現(xiàn)在波導(dǎo)損耗的主要部分,并采用Payne-Lacey理論得到了,由于波導(dǎo)側(cè)壁粗糙引起的散射損耗經(jīng)驗(yàn)公式。介紹了三種測(cè)量波導(dǎo)損耗的方法:截?cái)喾?、F-P腔光譜

4、分析法、傅里葉頻譜分析法。
　　對(duì)于反向楔形模斑變換器的設(shè)計(jì),我們首先確定了反向楔形模斑變換器的整體結(jié)構(gòu)和材料。然后利用軟件模擬分析并優(yōu)化了反向楔形模斑變換器的結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬給出了楔形波導(dǎo)的尖端寬度和模式轉(zhuǎn)換損耗之間的關(guān)系,不管對(duì)于TE模還是TM模,楔形尖端的寬度越小,模式轉(zhuǎn)換損耗越小。對(duì)于TE模,當(dāng)尖端寬度小于120nm時(shí)就可以獲得較低的模式轉(zhuǎn)換損耗(小于0.5dB),而對(duì)于TM模來(lái)說(shuō)當(dāng)尖端寬度為60nm時(shí),模式轉(zhuǎn)換損耗依然高達(dá)

5、0.8dB,TM對(duì)楔形尖端的要求更高。楔形波導(dǎo)的長(zhǎng)度大于300μm時(shí),模式轉(zhuǎn)換損耗可以忽略不計(jì)。
　　摸索了電子束曝光劑量、掩膜厚度選擇、ICP(Inductive Coupled Plasma)刻蝕條件等影響無(wú)源波導(dǎo)制作的關(guān)鍵工藝參數(shù)。利用一次電子束曝光、一次普通光刻套刻和兩次ICP刻蝕的方法,制作了尖端寬度小于60nm的楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu),楔形波導(dǎo)的質(zhì)量和制作成功率也大幅度提升。
　　反向楔形模斑變換器在1550nm波長(zhǎng)與MF