SOI材料上紧凑结构波导器件及阵列波导光栅器件的研制

摘要

绝缘层上的硅(SOI)材料具有良好的光学和电学特性,成熟的集成电路(IC)制作工艺和设备可以应用或借鉴于SOI平面波导器件的制作中;硅的克尔(Kerr)效应、弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Kedysh)效应和等离子色散(Plasma Dispersion)效应等电光效应可以应用于电光调制器和电光开关的制作中.SOI材料的发展为超大规模集成电路(VLSI)、微光机电系统(MOEMS)和平面光路(PLC)提供了一个共同的平台,使得光器件、电子器件以及机械固件等的集成成为可能.因此,在未来的光电子器件的发展中,SOI材料将扮演着重要的角色.SOI材料上大折射率差脊形波导结构的特殊性带来了一些特殊的性质,必须从理论上深入地探讨;脊形波导大的弯曲半径在某种程度上制约了SOI波导器件性能的提高,使得多通道、多功能器件的发展受到限制.针对上述问题,该论文对SOI波导的各种特性进行探讨并给出了详细的计算结果,首次用三维功率交迭积分法计算了SOI波导器件中波导过渡区的损耗,这种方法考虑了脊形波导模式分布对过渡区耦合效率的影响.论文首次设计并制作了SOI上集成波导式转弯微镜(IWTM),利用硅的KOH各向异性腐蚀特性制作出的微镜表面非常光亮,均方根粗糙仅为5.19nm,并且由于镜面是腐蚀出的晶面,其与晶片表面非常垂直.实验测得IWTM损耗约为1.5dB/镜面,损耗主要来源于镜面和波导间的水平移位,通过提高光刻精度和镜面腐蚀位置的控制精度,可以使性能得到改善.论文将SOI上的IWTM应用于光功率分配器和阵列波导光栅(AWG)的制作中,实现了结构非常紧凑的波导器件.论文研制了SOI材料上的多模干涉器.测得4×4 MMI的片内额外损耗在1~2dB之间,均匀性为0.19~1.48dB,芯片的长度约为2cm.用MMI结构代替普通的直接分叉型Y分支结构,可优化分支性能,并且实验结果与理论计算非常吻合.实验测得基于1×2MMI Y分叉结构的紧凑型1×4功分器,片内额外损耗约为3.1dB,均匀性约为0.4dB.相比普通Y分支结构的功分器(损耗为4.3dB,均匀性为1.8dB),器件性能得到明显改善.损耗基本是由于波导和镜面的平移误差引起.1×2MMI的性能已达到相当好的程度,与理论值接近.器件结构非常紧凑,在1cm×1cm大小的芯片上制作了5个器件.AWG是DWDM全光网络系统中的关键器件,目前国外已有产品出售,但国内的研究水平不高,以理论工作居多,在实验结果上没有取得突破性的成果.论文从工艺角度出发探讨了AWG的设计方法,详细地计算了二氧化硅材料和SOI材料AWG器件制作对工艺容差的要求.论文对SOI AWG的研制进行了探讨,给出了阶段性的结论.论文结合实际工艺要求设计了基于二氧化硅材料的AWG,并通过代工厂加以实现,制作出可实用的AWG器件.8×8二氧化硅AWG封装后测得所有通道的插损值在4~8.2dB之间,所有相邻通道串扰小于-23dB,所有非相邻通道串扰小于-30dB.1×32二氧化硅AWG封装前测得插损值在4.2~7.3dB之间,相邻通道串扰小于-28dB,非相邻通道串扰小于-30dB.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1集成光学常用材料及相关工艺

1.1.1 SOI材料

1.1.2二氧化硅材料(Silica)与玻璃(Glass)

1.1.3聚合物材料(Polymer)

1.1.4铌酸锂材料(LiNbO3)

1.1.5 Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料

1.1.6小结

1.2光耦合器和阵列波导光栅

1.2.1光耦合器

1.2.2阵列波导光栅

1.3集成波导式转弯微镜

1.4本论文的工作

1.4.1本论文的目的和意义

1.4.2论文的创新点

1.4.3论文内容

Reference

第二章SOI脊形波导及器件设计理论

2.1 SOI脊形波导参数设计

2.1.1脊形波导单模条件及有效模折射率的计算方法

2.1.2脊形波导与光纤间的耦合效率

2.1.3脊形波导的偏振效应及弱偏振波导结构的设计

2.1.4 SOI脊形波导的弯曲损耗

2.1.5 SOI脊型波导与平板波导间的过渡损耗分析

2.2 MMI耦合器

2.2.1 MMI原理及设计方法

2.2.2 MMI的成像质量

2.2.3MMI的工艺容差

2.3小结

Reference

第三章阵列波导光栅设计理论及工艺误差分析

3.1阵列波导光栅的设计方法

3.2不同性能要求AWG的设计方法

3.2.1降低AWG插入损耗的方法

3.2.2 AWG串扰因素及降低串扰的方法

3.2.3消除AWG偏振效应的方法

3.2.4 AWG频谱响应平坦化的方法

3.2.5温度不敏感AWG

3.3 AWG误差分析

3.3.1影响AWG性能的误差因素

3.3.2傅利叶光学的方法推导AWG输出频谱分布曲线

3.3.3引入误差源的AWG频谱分布及串扰、插损的计算

3.3.4 AWG的主要误差源及其与相位误差的关系

3.4小结

附录

Reference

第四章基于SOI材料的集成波导式转弯微镜

4.1 IWTM结构及损耗因素

4.1.1镜面粗糙度(Rq)对IWTM损耗的影响

4.1.2镜面大小(w)对IWTM损耗的影响

4.1.3镜面中心与波导中心的相对平移(d)对反射损耗的影响

4.1.4镜面与波导的角度偏斜(θt)对反射损耗的影响

4.1.5镜面垂直度(θ v)对反射损耗的影响

4.2 SOI材料上IWTM器件的制作工艺

4.2.1腐蚀工艺

4.2.2清洗和氧化工艺

4.2.3光刻工艺

4.2.4抛光工艺

4.3器件的测试

4.4 SOI材料上波导器件的工艺流程

4.4.1普通波导器件的制作工艺流程

4.4.2镜面反射型波导器件的制作流程

4.5镜面反射型弯曲波导的实验及测试结果

4.5.1 IWTM插入损耗的测试

4.5.2角度倾斜(θt)引起的额外损耗

4.5.3位置偏移(d)引起的额外损耗

4.5.4 KOH腐蚀镜面表面质量的测试

4.6小结

Reference

第五章基于IWTM的SOI波导器件

5.1紧凑结构功率分配器的研制

5.1.1功率分配器的整体结构

5.1.2正弦型S弯曲Y分支结构的设计和计算

5.1.3 1×2MMI分叉型功分器的设计和计算

5.1.4两种功分器的制作及测试结果比较

5.2 4×4MMI耦合器设计、制作、测试

5.2.1 4×4MMI的设计参数及模拟结果

5.2.2 4×4MMI的容差计算

5.2.3 4×4MMI的制作及测试结果

5.2.4 4×4MMI折射率差的优化设计

5.2.5讨论

5.3基于SOI材料的AWG设计

5.3.1 AWG参数的设计及模拟

5.3.2镜面处结构的设计

5.3.3 SOI AWG的制作及测试

5.4小结

Reference

第六章二氧化硅阵列波导光栅的研制

6.1基于二氧化硅材料的AWG设计

6.1.1波导结构的确定

6.1.2波导间距及锥形波导的设计

6.1.3其它参数及器件形状

6.1.4器件性能的BPM模拟结果

6.2二氧化硅AWG的制作、测试及讨论

6.3小结

Reference

第七章总结

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

致谢

作者简介

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