硅基微环谐振腔的设计与制作

发布时间：2017-10-16 01:11

  本文关键词：硅基微环谐振腔的设计与制作

  更多相关文章： 微环谐振腔 绝缘衬底上的硅 时域有限差分法 品质因子 结构设计

【摘要】：SOI(Silicon on Insulator)微环谐振腔具有结构紧凑,与COMS工艺兼容,适合于大规模单片集成等一系列优势,因此其功能强大,是集成光学中非常关键的元器件之一。它在光滤波器、光延时线、光缓存、光开关、光调制器、波长转换器、传感器、光逻辑门、激光器等领域都有着重要的研究和应用价值。本文结合国内外的微环谐振腔研究现状,基于理论分析,将仿真模拟与实验验证相结合,研究设计并加工测试了SOl微环谐振腔结构。本文的主要工作如下：(1)从SOl光波导器件出发,研究光在波导中传输的模式特性和损耗特性等。通过改变波导的结构参数,仿真分析和比较了光场模式特性的变化规律,并讨论其对传输特性的影响。在此基础上优化参数,从而对微环的结构设计给出合理的建议。介绍了两种基本直波导-环形谐振腔的传输模型,同时利用耦合模理论对波导和环形腔间的各个耦合参数和传输情况进行了详细的公式推导。(2)基于全通型微环结构,利用FDTD (Finite Difference Time Domain)法对微环谐振腔结构中微环波导宽度与其传输性能、品质因子(Quality Factor)的影响关系进行了理论分析与仿真。研究结果表明,微环宽度过小会大大增加微环的辐射损耗,当波导宽度越大时,辐射损耗会越小,Q值也越高。但波导宽度过宽时,将出现多模情况。因此,满足单模条件下微环波导的宽度应尽量大,这样能够减小微环的辐射损耗,提高Q值。仿真优化结果表明微环半径10um,微环波导宽度为600nm时,1.55umm波长附近的谐振峰的消光比为18.2dB,计算Q值约2.2×105,此时的器件性能最为理想,可以实现单模工作和高Q值。进一步研究了耦合间距、平板高度对Q值的影响。微环与直波导间距的改变影响耦合效率,当间距逐渐增大时,由于耦合效率降低,Q值则逐渐提高;同时,随着平板区厚度的减小,辐射损耗会越小,因此Q值越高。研究结果为微环谐振腔的优化和设计提供了参考。(3)结合仿真模拟分析的结果,设计了波导尺寸、微环半径、耦合间距以及垂直耦合光栅等微环谐振腔版图结构参数。利用L-Edit版图设计软件绘制了微环谐振腔结构,进行了SOl硅片的工艺制作,并对制作过程中各种工艺参数对波导参数的影响进行了探讨和分析。详细介绍了微环谐振腔测试系统及其操作步骤,并对测试结果进行了总结和分析。最终完成了硅基微环谐振腔的研制工作。
【关键词】：微环谐振腔 绝缘衬底上的硅 时域有限差分法 品质因子 结构设计
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN256
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-17
• 1.1 研究背景和意义11-16
• 1.1.1 硅基微环谐振腔的研究进展12-15
• 1.1.2 硅基微环谐振腔的研究意义15-16
• 1.2 本文的主要内容16-17
• 2 SOI微环谐振腔17-30
• 2.1 SOI光波导器件17-20
• 2.1.1 SOI光波导的模式特性17-19
• 2.1.2 SOI光波导的损耗特性19-20
• 2.2 微环谐振腔的基本特性和理论分析20-29
• 2.2.1 微环谐振腔的基本结构23-27
• 2.2.2 微环谐振腔的主要性能参数27-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 SOI高Q微环谐振腔的设计30-40
• 3.1 仿真设置30-33
• 3.1.1 时域有限差分法(FDTD)介绍30-31
• 3.1.2 仿真软件的设计流程31-32
• 3.1.3 仿真软件中Q值的计算原理32-33
• 3.2 仿真模拟33-39
• 3.2.1 结构设计34-35
• 3.2.2 波导宽度和损耗的关系35-36
• 3.2.3 微环波导宽度和Q值的关系36-38
• 3.2.4 耦合间距、平板高度对Q值的影响38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 4 SOI微环谐振腔的制作与实验40-51
• 4.1 微环谐振腔的制作40-44
• 4.1.1 版图的设计40-41
• 4.1.2 关键工艺介绍41-44
• 4.2 微环谐振腔的测试44-50
• 4.2.1 测试系统45-46
• 4.2.2 测试结果及分析比较46-50
• 4.3 本章小结50-51
• 5 结论51-52
• 参考文献52-56
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果56-58
• 学位论文数据集58

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本文编号：1039765