硅基一维光子晶体波导微腔及其应用研究

摘要

随着信息技术的快速发展，人们对信息传输容量和传输速率的要求越来越高，传统的电互连和电路集成的发展遇到“瓶颈”，我们急需一种新的互联和集成方案。硅基集成光子学是将各种功能的光电器件集成在硅基平台上，实现单片集成和片上光互联。硅基光集成技术由于其高速率、低损耗、与CMOS工艺兼容等优势，被认为是最有发展前景的互连和集成方案。一维光子晶体波导微腔是基于一维光子晶体波导的结构，它能在纳米尺度实现对光子的调控。由于其具有高Q值、超小模式体积、高集成度等优点，硅基一维光子晶体波导微腔被广泛应用于滤波器、调制器、激光器、光学传感器、非线性光学等领域。
　　本论文对硅基一维光子晶体波导微腔及其应用进行了一系列理论和实验上的研究，主要工作内容可概括如下：
　　（1）介绍和研究了光波导理论和一维光子晶体波导理论，介绍了一维光子晶体波导微腔，及其几个重要性能参数。分析了一维光子晶体微腔的耦合模理论，并介绍了几种常用的数值计算方法。
　　（2）设计了高品质因子的硅基一维光子晶体条形波导微腔，对其模场特性、谐振特性和传输特性进行了理论模拟分析，用于实现通信波段的滤波应用。介绍了硅基光器件工艺流程，实验上工艺制备了微腔器件，实验测得，谐振波长处能实现高品质因子(64,548)和高消光比(16dB)的洛伦兹(Lorentz)滤波谱型。我们还基于一维光子晶体条形波导微腔，在实验上实现了可调谐法诺(Fano)滤波谱型。
　　（3）提出了一种基于硅基一维光子晶体狭缝纳米梁微腔的光学传感器，理论上能实现高品质因子(1.74×105)、高灵敏度(851 nm/RIU)的光学折射率传感应用，为实现硅基片上集成光学传感提供了一种新方案。设计了基于SOI、非悬空梁结构的一维光子晶体狭缝波导椭圆孔微腔用于光学折射率传感，并在实验上进行了工艺制备和传输谱测试。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 硅基集成光子学的发展

1.3 一维光子晶体微腔的研究现状

1.4 本文主要完成的工作

2 一维光子晶体波导微腔的相关理论

2.1 光波导理论及方法

2.2 一维光子晶体微腔基本理论

2.3 一维光子晶体微腔的耦合模理论

2.4 数值计算方法

2.5 本章小结

3 硅基一维光子晶体条形波导微腔及其滤波应用

3.1 高Q值一维光子晶体条形波导微腔的设计

3.2 一维光子晶体波导微腔的模拟仿真

3.3 硅基光器件的工艺制备流程

3.4 硅基一维光子晶体条形波导微腔的工艺制备和测试

3.5 可调谐法诺（Fano）滤波谱型

3.6 本章小结

4 硅基一维光子晶体狭缝波导微腔及其传感应用

4.1 一维光子晶体狭缝纳米梁微腔的设计

4.2 高Q值和高灵敏度的模拟优化和分析

4.3 一维狭缝纳米梁微腔用于实现高FOM折射率传感

4.4 一维光子晶体SOI狭缝波导椭圆孔微腔

4.5 实验工艺制备和测试

4.6 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

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