基于硅基微环谐振器(MRR)的光学滤波器设计

摘要

晶体管特征尺寸的进一步减小，大规模集成电路的制造受到了量子隧穿效应等基本物理原理的限制。使得仅仅依靠减小晶体管尺寸、提高工作频率的电学手段提高信息处理能力的发展遇到了瓶颈。绝缘衬底上硅材料(SOI，Silicon on Insulator)因具有较高折射率差，对C波段的电磁波具有较强的限制能力，成为了制造光电子器件、特别是集成光学器件的理想材料。基于SOI材料的集成光学的最大优势是继承了数十年来集成电路发展的成果和思路，且采用与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相兼容的工艺条件实现结构紧凑的光学器件。同时，由于硅材料具有良好的等离子色散效应和热光效应，可方便用于SOI材料的光学器件的调谐控制，极大丰富光电子器件功能和适用范围。可以说，到目前为止集成光学已经取得了令世人瞩目的成就。在众多基于SOI材料光学器件中，微环谐振器(MRR，Microring Resonators)由一个闭合的环形波导和直波导耦合构成，因具有工艺成熟、集成度高及可实现光电混合集成的优点，常用来构建不同用途的光学滤波器件，是硅基集成光学器件的重要构成成员。
　　本文就是围绕基于微环谐振器的硅基集成光学滤波器设计展开研究。从基础理论入手，对SOI材料的体系特性和典型的微纳光波导结构、硅基微纳波导的基本理论，特别是硅基微纳光波导的弯曲耦合进行了梳理和探讨，并利用散射矩阵模型对Add-Drop型MRR的滤波特性进行了分析。然后讨论了基于MRR的光学滤波器的参数设计，包括波导参数设计、MRR的参数设计、外界折射率的变化对滤波器输出光谱的影响及器件耦合端面的设计，最后基于CMOS工艺在SOI材料上制备出一组不同耦合参数的的集成光学滤波器，并进行了测试，还对器件的输出参数进行了讨论。核心工作包括以下几点:
　　(1)分析了硅基微纳波导的单模工作条件、辐射损耗与弯曲半径的关系，及耦合系数和耦合端面的设计对基于MRR的集成光学滤波器输出性能的影响。
　　(2)阐述了硅基微纳光子器件的制备工艺、测试平台和测试方法和步骤。
　　(3)最后基于SOI材料设计、制备和测试了一组不同耦合间距值，波导宽度为W=400 nm，高度H=220 nm，平板厚度h=90 nm的基于MRR的集成光学滤波器。得出耦合间距与滤波器输出图谱的自由光谱区、光学带宽、品质因子的关系。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 硅基MRR的研究现状

1．1．1 激光器领域

1．1．2 光调制器领域

1．1．3 传感器领域

1．2 本文工作

2 硅基微纳光波导理论

2．1 SOI材料与微纳光波导结构

2．2 硅基微纳光波导特性研究

2．2．1 模场特性分析

2．2．2 损耗特性分析

2．3 小结

3 MRR的基础理论

3．1 MRR的工作原理

3．1．1 MRR的传输特性

3．1．2 MRR的线性属性

3．1．3 MRR的几种常见结构

3．2 微环谐振器的散射矩阵模型

3．3 临界耦合、过耦合与欠耦合

3．4 小结

4 基于MRR的集成光学滤波器的设计

4．1 波导设计

4．1．1 波导厚度对传输特性的影响

4．1．2 波导模式对传输特性的影响

4．2 MRR的设计

4．2．1 MRR的半径设计

4．2．2 MRR耦合间距的设计

4．3 外界折射率的变化对输出光谱的影响

4．4 耦合端面设计

4．5 小结

5 基于MRR的集成光学滤波器的制备及测试

5．1 硅基滤波器的制作工艺

5．1．1 硅基滤波器的制作工艺流程

5．1．2 滤波器的结构参数及工艺实现

5．2 滤波器的测试与讨论

5．2．1 自由光谱区

5．2．2 光学带宽

5．2．3 品质因子

5．3 小结

结论与展望

致谢

参考文献