干涉型集成光波导器件设计与实验研究

摘要

迅速发展的光通信技术，对高性能低成本的光器件有着大量而迫切的需求，基于平面光波回路(PLC)的集成型光器件由于具有突出的性能成为了最有吸引力的选择之一．为了将来实现具有柔性和可重构的光网络，必需发展更多具有成本效益的光器件，本文从这个宗旨出发，主要就干涉型集成光波导器件，从结构优化设计和工艺制造两个方面进行了研究。
　　 相对于带有近似处理的解析解，数值模拟计算在光波导器件的优化设计中通常有着更好的评测效果。本文主要应用了两个数值模拟方法，一个是具有完美匹配层边界处理的有限差分方法(FDM)，另一个是模拟光在平面光波回路中传播的束传播方法(BPM)．通过应用FDM方法对SOI(silicon on insulator)脊型波导单模条件的模拟计算，更为准确地确定了SOI脊型波导单模条件中各关键参数c的取值和设计选取原则，为这种类型的波导优化设计提供了重要理论依据。另一方面，利用直角坐标和极坐标下的束传播方法，对多模干涉耦合器这一多用途的器件进行了分析设计研究，采用参数扫描法和遗传算法对1×N的多模干涉耦合器进行了优化设计，从而提高和改善了器件输出的均匀性，降低了器件的附加损耗。
　　 半导体微细加工技术及工艺是集成平面光波导的器件发展的关键。本文对此用二氧化硅(Si02)和SU8两种典型的光波导材料进行了一系列的研究。首先针对常用的二氧化硅材料，讨论了PECVD的二氧化硅薄膜制备方法、正负光刻胶的紫外光刻方法、Lift-Off金属掩膜制作方法以及ICP光波导刻蚀等关键技术。其次，对于近来得到广泛应用的聚合物材料SU8，也做了相关的光波导实验制作研究。给出了基于两种材料光波导制作的工艺流程，并对实验中的一些工艺优化参数和实验现象作了讨论，获得了大量的实际工艺资料，为今后的进一步研究制造高性能的器件打下了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 研究背景和状况

1.3 论文各部分的主要内容

2 光波导基本理论及数值模拟方法

2.1 介质光波导类型

2.2 射线法对介质光波导模式的分析

2.3 电磁理论对光波导模式的分析

2.4 光场传输的数值模拟方法--BPM

2.4.1 普通BPM

2.4.2 极坐标下近轴BPM

2.5 本章小结

3 光波导间倏逝波耦合研究

3.1 耦合模理论

3.2 倏逝波耦合的数值模拟

3.2.1 直波导的耦合情况分析

3.2.2 弯曲波导的耦合情况分析

3.3 本章小结

4 SOI脊型光波导特性研究

4.1 SOI脊型光波导介绍

4.2 SOI脊型光波导的单模条件研究

4.2.1 对现有的单模条件回顾

4.2.2 用FDM方法研究计算单模条件

4.3 我们的计算结果和讨论

4.4 本章小结

5 多模干涉耦合器的优化设计

5.1 MMI耦合器的基本原理

5.2 自成像理论的近似误差分析和参数扫描法的优化设计

5.3 基因算法GA的基本原理

5.4 基因算法在MMI优化设计中的应用

5.5 本章小结

6 集成平面光波导器件的制作工艺研究

6.1 概述

6.2 基于二氧化硅材料的掩埋型波导的制作

6.2.1 膜层的生长

6.2.2 波导图形的成型

6.2.3 波导图形的形成

6.2.4 芯层的刻蚀后处理及包层的生长

6.2.5 掩埋型二氧化硅波导制作结果

6.3 Polymer聚合物光波导的实验制作

6.3.1 基于传统Si02波导制作工艺制作聚合物光波导

6.3.2 基于SU-8材料的聚合物光波导的制作

6.4 本章小结

7 总结与展望

参考文献

博士在读期间发表的论文：