光纤光栅解调光子集成片上键合和单片集成硅基锗光源关键技术研究

摘要

近年来，光纤光栅传感技术在传感领域发展十分迅速，并在航空航天、生物医学等领域取得了非常成功的应用。但在目前的工程应用中，光纤光栅解调系统普遍存在着体积较大、成本较高等缺点，严重限制了其推广应用。随着硅基光子集成技术的发展，各个关键的硅基光子器件都达到甚至超过了目前的商用器件。硅基光子学的发展为光学系统的小型化提供了一种可行的技术，采用成熟的半导体工艺进行制备可以实现光子集成芯片的低成本和规模化生产。
　　本文对光纤光栅解调系统的异构集成和片上光源进行了研究。设计了一种基于绝缘体上硅的光纤光栅解调系统，系统由光源、阵列波导光栅解调光路、光电探测器等组成。阵列波导光栅解调光路包括1×4均匀输入光栅耦合器、2×1多模干涉耦合器、弯曲波导、2×2多模干涉耦合器、1×8阵列波导光栅及1×8输出光栅耦合器等部分。阵列波导光栅解调微系统芯片尺寸为5mm×3mm，采用项层硅厚度为220nm、掩埋层SiO2厚度为2μm的绝缘体上硅材料制作。使用苯并环丁烯将制备的光纤光栅解调光子集成芯片与光源和光电探测器阵列进行异构集成。通过光波导对准系统，将光纤光栅解调光子集成芯片与FBG传感器、外设电路等组成光纤光栅温度解调系统进行试验。结果表明光纤光栅解调集成微系统波长寻址范围为1547.5-1552.3nm，波长精度为±10pm。解调系统的波长分辨率为1pm，也即温度解调精度为0.1℃。
　　光纤光栅解调系统的关键部分是片上光源技术。基于PICS3D设计和优化硅基锗垂直腔面发射激光器作为新型片上光源，所设计垂直腔面发射激光器由Si/SiO2布拉格反射镜组成的谐振腔和Si/Si0.1Ge0.9量子阱构成。由于采用折射率差较大的Si与SiO2材料，所设计垂直腔面发射激光器拥有较少的层数。结果表明垂直腔面发射激光器在1548nm有-9dBm的光功率输出，相比传统Ⅲ-Ⅴ族垂直腔面发射激光器具有兼容传统CMOS工艺等优点。
　　本文的研究将对光纤光栅解调系统的微型化研究起到推动作用，对与CMOS工艺兼容的硅基锗光源研究具有一定指导意义，也将为硅基光子集成技术以及光互连技术的进一步发展奠定基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 光纤光栅解调技术

1．2．2 光子集成技术

1．2．3 片上键合技术

1．2．4 片上光源

1．3 论文的研究内容和章节安排

第二章 光纤光栅解调及其光子集成器件设计

2．1 光纤光栅解调方法和原理

2．1．1 边缘滤波器解调法

2．1．2 可调谐F-P滤波解调法

2．1．3 非平衡M-Z干涉仪解调法

2．1．4 匹配光栅滤波解调法

2．1．5 阵列波导光棚解调法

2．2 阵列波导光栅解调光路光子器件

2．2．1 输入光栅耦合器

2．2．2 多模干涉耦合器

2．2．3 弯曲波导

2．2．4 阵列波导光栅

2．2．5 输出光栅耦合器

2．2．6 垂直腔面发射激光器

2．2．7 光电探测器

2．3 本章小结

第三章 光子集成芯片的键合工艺及其测试

3．1 片上键合技术概述

3．2 芯片键合工艺实现

3．2．1 混合集成研究

3．2．2 片上键合实验

3．3 芯片光电性能测试

3．3．1 VCSEL光电性能测试

3．3．2 PD光电性能测试

3．4 本章小结

第四章 光子集成芯片的温度解调实验

4．1 光子集成器件制作与测试

4．1．1 器件制作工艺流程

4．1．2 输入光栅耦合器测试

4．1．3 MMI耦合器测试

4．1．4 弯曲波导测试

4．1．5 阵列波导光栅测试

4．1．6 输出光栅耦合器测试

4．2 光纤光栅温度解调实验

4．2．1 阵列波导光栅集成微系统

4．2．2 光纤光栅解调实验环境

4．2．3 温度解调实验结果

4．3 本章小结

第五章 硅基锗垂直腔面发射激光器

5．1 垂直腔面发射激光器概述

5．2 硅基锗VCSEL设计

5．2．1 DBR结构设计

5．2．2 量子阱设计与仿真

5．2．3 硅基锗VCSEL研究结果

5．3 硅基锗VCSEL制作工艺

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢