基于微环谐振腔可调特性的硅光子应用研究

摘要

微环谐振腔是一种非常巧妙的谐振结构，它利用光波导构成光学回路形成反馈，从而对某些特定波长的光的输出产生影响。相对传统的光学结构微环谐振腔具有结构简单、集成度高的特点。以绝缘衬底上的硅材料(Silicon-on-insulator,SOI)为平台制作微环器件，工艺与CMOS工艺相兼容，大规模生产可以极大地降低光子器件的成本。具有差异才能产生信息，所以可调特性应是信息器件所必备的核心特性。硅材料具有良好的热光效应和载流子色散效应:利用热光效应，可以对硅的折射率大范围调节;利用载流子色散效应，可以实现高达数十GBit/s的高速调制。长期以来人们对硅基微环的基本特性进行了广泛而深入的研究，但是应用的多样性需求对基于硅材料微环集成芯片的研究来说仍是一项极富挑战性的课题。
　　本论文主要以硅基微环谐振腔为基本单元，利用其可调效应，对集成光链路、集成光传感器以及传感解调器等若干光电子器件进行理论设计和实验研究。其主要创新和特色工作在于:
　　1.针对目前光互连领域对于通信容量和速度的需求，提出了基于微环结构的可重构光学链路的概念，通过热光效应，对微环调制器和滤波器的工作波长进行控制。这种结构一方面可以利用工作通道的可重构特性使同一物理光链路在不同时刻工作在不同波长通道，提高光波分复用系统的灵活性和通道利用效率，非常适合应用于波分复用系统当中;另一方面，微环的工艺制作误差可以通过热光效应得到补偿，使信道的误码率和通道间的串扰得到改善。此外，这里所提出的可重构光链路中的微环调制器采用等离子体色散型电极，确保了对信号的高速调制;并且，光链路中的滤波器为二阶串联微环结构，解决了传统一阶微环滤波器带宽较窄，串扰过高的弊端。进一步地，本论文利用新加坡微电子研究所提供的CMOS兼容工艺对提出的器件进行了制作和测试，制作的光链路中微环调制器和滤波器分别以3.9mW/nm和5.9mW/nm的加热效率实现了在0.8nm波长间隔的通道之间的重构，且利用热光电极实现的通道切换速度达到5kHz;此外，由于采用了二阶串联双环结构滤波器设计，所形成通道的3-dB带宽等于0.57nm，通道间串扰小于-20dB。
　　2.针对高性能传感器的应用需要，提出利用眼型微环嵌套结构的非对称Fano谐振特性提高基于微环的光学传感分辨率和探测范围。本论文利用转移矩阵法和时域有限差分法对这一结构所形成Fano谐振的物理本质和特性进行了深入的研究，指出利用眼型微环嵌套结构的非对称Fano谐振可以在相同的插入损耗下有效地提高下路端光谱尖锐度;并且该结构还可以大幅度提高下路端光谱的消光比。为了使该理论在实践上得到证明，本论文利用比利时IMEC硅光子工艺线制作了眼型微环嵌套结构并与传统的一阶上下路微环滤波器的谐振特性做了对比。结果表明:眼型嵌套微环结构下路端光谱的尖锐度相对传统的一阶上下路微环滤波器提高了约3倍，消光比提高了约20dB。光谱尖锐度的提高意味着在同样的测试条件下能够分辨更小的光谱移动，提升了波长调制型传感应用中的传感分辨率;而消光比的提高则提升了强度调制型传感应用中的传感探测范围。在此基础上，本论文基于硅材料的热光可调效应，利用制作的眼型嵌套微环结构成功地对温度进行了传感。这一工作不仅有助于理解Fano谐振的形成原理，它对于拓展Fano谐振的应用领域也具有重要意义。
　　3.论文还提出了一种基于可调微环滤波器的传感解调器，这种解调器利用热光效应调谐微环滤波器的输出光谱，对波长调制型传感器的输出光谱进行扫描，通过读取系统输出功率最大时所对应的加热功率，得到相应的波长调制型传感器的中心波长。论文在SOI材料上制作了这种微环解调器，并成功地对FBG温度传感器的布拉格波长和片上微环滤波器的中心波长进行了解调。相较于传统的基于分立光学器件的传感解调系统，本论文所提出的微环解调器具有尺寸小、成本低、适宜于高密度集成的优点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．平面波导技术概述

1．2．硅基光子学的发展

1．2．1．硅基光子学在光互连领域的应用

1．2．2．硅基光子学在光传感领域的应用

1．3．本论文的意义和工作

参考文献

第2章 基于微环的硅光子基本功能结构

2．1．微环谐振腔概述

2．1．1．平面光波导概述

2．1．2．微环谐振腔基本结构

2．1．3．转移矩阵法

2．1．4．微环谐振腔的主要性能参数

2．1．5．微环谐振腔损耗的分析

2．1．6．耦合系数的计算

2．2．微环谐振腔的可调特性

2．2．1．热光调谐

2．2．2．等离子体色散调谐

2．3．耦合光栅的设计和制作

2．3．1．耦合光栅的设计

2．3．2．耦合光栅的制作和测试

2．4．小结

参考文献

第3章 基于微环结构的可重构光学链路

3．1．引言

3．2．器件的设计与制作

3．2．1．波导结构的设计

3．2．2．微环调制器的设计

3．2．3．微环滤波器的设计

3．2．4．二阶串联微环上下路滤波器的设计

3．2．5．热光和电光电极的设计

3．3．器件的制作

3．3．1．版图的设计

3．3．2．器件制作的工艺流程

3．4．基于微环的可重构光学链路芯片的测试

3．5．小结

参考文献

第4章 基于微环结构的集成光学传感器

4．1．引言

4．2．微环传感器概述

4．2．1．微环传感器的灵敏度

4．2．2．微环传感器的分辨率

4．3．全通滤波型硅基微环传感器的制作和测试

4．3．1．全通滤波型硅基微环传感器的制作

4．3．2．全通滤波型硅基微环传感器的测试

4．4．眼型嵌套微环传感器

4．4．1．眼型嵌套微环结构的理论模型

4．4．2．眼型嵌套微环传感器的制作和测试

4．4．3．讨论

4．4．4．眼型嵌套微环温度传感实验

4．5．小结

参考文献

第5章 用于波长调制型传感的微环解调器

5．1．引言

5．2．用于波长移动型传感的微环解调器的工作原理

5．3．对光纤布拉格光栅温度传感器的解调

5．3．1．光纤布拉格光栅温度传感器特性测试

5．3．2．热光可调微环滤波器的制作

5．3．3．热光可调微环滤波器的测试

5．3．4．对FBG温度传感器的解调测试

5．3．5．讨论

5．4．对片上集成传感器的解调

5．5．小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1．总结

6．2．存在的不足与展望

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢