硅基光子晶体波导的优化设计及其耦合器件的研究

摘要

随着信息爆炸时代的到来，以电子作为信息载体的传统微电子技术面临着巨大的困难和压力，而以光子作为信息载体的硅基集成光电子为微电子产业提供了新器件、新互连技术和新集成方案，并且可与现有微电子工艺技术兼容，能够用低成本获得高性能低功耗的光学器件，被广泛地认为是微电子产业中最有潜力的竞争者，也被认为是进一步延展摩尔定律的领航者。硅基光电子集成电路中，最基本的光波导类器件成为研究的热点，其中硅基光子晶体波导类器件体积相对较小，弯曲损耗低，可利用慢光增强非线性效应等特性，使其受到了密切的关注和广泛的研究。
　　本论文将从光子晶体的基本理论出发，介绍光子晶体类器件的数值模拟方法，然后具体给出光子晶体波导的理论设计及其波导特性的分析方法，重点进行了零色散型光子晶体波导的设计与优化，并以硅基光子晶体波导为核心，重点进行了零色散型光子晶体波导和狭缝型光子晶体波导的耦合器件原型设计和工作机理的分析。全文的研究内容如下：
　　(1)提出了三种新型零色散光子晶体平板波导结构，即普通型椭圆孔光子晶体平板波导、交替型椭圆孔光子晶体平板波导和孔残缺型光子晶体平板波导。采用平面波展开法对新型光子晶体平板波导结构进行了能带计算和波导特性的分析。针对椭圆孔光子晶体波导，分析了椭圆孔形状的改变对能带和光学特性参数的影响，并探讨了平板有效折射率对其慢光特性的影响。通过优化设计参数，可在交替型椭圆孔光子晶体平板波导中实现约16纳米的低色散慢光传输，群折射率为42，归一化延迟带宽积可达0.466，并且利用时域有限差分法进行脉冲传输后，发现慢光传输时脉冲延时3.06皮秒且脉冲展宽仅为2.7％。针对孔残缺型光子晶体平板波导，分析了孔残缺区的宽度和光子晶体波导中心波导区的宽度对其慢光特性的影响，通过优化设计，可实现约51纳米的超宽带、低色散和高归一化延迟带宽积的慢光。
　　(2)针对零色散型光子晶体平板波导，提出了一种基于条形波导的侧向耦合方案。利用平移靠近中心波导区的前两排孔，得到零色散型光子晶体波导。利用平面波展开法，分别对零色散型光子晶体平板波导和条形波导进行了能带分析，得到了不同光子晶体平板波导中心波导区宽度和不同条形波导宽度下实现耦合时所需的相位匹配条件，并利用时域有限差分法对相位匹配条件进行了验证，在相位匹配条件下此种耦合器件可在约36微米长度内实现最高约为-3 dB的耦合效率。
　　(3)针对狭缝型光子晶体平板波导，提出了一种基于亚波长量级光栅波导的侧向耦合方案。通过调整狭缝型光子晶体平板波导中狭缝的宽度，可以得到两种不同的模式，利用平面波展开法，对狭缝型光子晶体平板波导中的不同模式和亚波长量级的光栅波导的能带特性进行了分析，通过调整亚波长量级光栅波导的宽度和占空比，得到了两波导耦合的相位匹配条件，并利用时域有限差分法对相位匹配条件进行了验证，在相位匹配条件下，针对类普通光子晶体波导型模式，可在约20微米内实现最高约-0.8 dB的耦合效率，针对类狭缝型模式，可在约12微米内实现最高约-0.8 dB的耦合效率。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 硅基光子晶体器件及其应用进展

1.3 本论文主要工作和结构安排

2 光子晶体的理论基础

2.1 引言

2.2 麦克斯韦方程组

2.3 光子晶体数值模拟方法

2.4 光子晶体微腔和光子晶体波导的分析方法

2.5 本章小结

3 硅基光子晶体平板波导的理论设计及优化

3.1 引言

3.2 硅基光子晶体平板波导设计基础

3.3 常规型椭圆孔光子晶体平板波导

3.4 交替型椭圆孔光子晶体平板波导

3.5 孔残缺型光子晶体平板波导

3.6 本章小结

4 零色散型光子晶体平板波导边耦合器的理论设计及优化

4.1 引言

4.2 硅基光子晶体平板波导耦合特性的研究概况

4.3 零色散型光子晶体平板波导

4.4 基于条形波导的边耦合器

4.5 边耦合器结构参数对耦合特性的影响

4.6 本章小结

5 狭缝型光子晶体平板波导边耦合器的理论设计及优化

5.1 引言

5.2 狭缝型光子晶体平板波导耦合特性的研究概况

5.3 狭缝型光子晶体平板波导

5.4 亚波长量级光栅波导

5.5 基于亚波长量级光栅波导的边耦合器

5.6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录