新型硅基光子器件的研究

发布时间：2020-04-18 09:50

【摘要】：由于芯层与包层之间较大的折射率差,硅基光子器件拥有着非常紧凑的尺寸,可以实现高密度的集成。通过将各分立器件连接,形成硅基光子环路芯片,可以实现更复杂的功能,如光收发、光模数转换以及信噪比监测等。这类型芯片有着高性能、低功耗、高集成度以及CMOS工艺兼容等特点,是未来集成光学的主要发展方向之一。本论文重点开展了对新型硅基光子器件的研究,如光偏振分束器、光功率耦合器、全光量化器等。主要的研究内容和成果如下:1、提出了一种基于SOI平台的超宽谱高性能偏振分束器。该分束器为非对称定向耦合结构,由一根70nm刻蚀的锥形波导以及一根狭缝波导所组成。对于TM模,两波导之间满足相位匹配条件,可以进行有效地耦合;对于TE模,由于波导之间相位不匹配,因此无法耦合。基于该原理,器件在S、C、L波段范围内有着良好的分光特性。测试结果表明,该器件在1550nm波长处针对TE模和TM模的偏振消光比分别为30dB和40dB,而插损仅为-0.17dB以及-0.22dB。此外,该器件偏振消光比在20dB以及25dB以上的波长范围分别达到了 175nm和120nm,是目前报道中工作带宽最宽的一款偏振分束器。器件的制作用到了两步刻蚀,刻蚀深度分别为70nm和220nm,且器件对尺寸变化不敏感,可以通过商业流片进行制作。2、提出了一种新型的1X3可调分光比耦合器。通过级联MMI耦合器,并调节第一级MMI的结构尺寸,可以使输出光场发生变化,从而改变分光比。与其它1X3功率耦合器相比,该类型器件拥有更小的尺寸,且工作带宽达到了60nm以上;由于采用了一步刻蚀工艺,该器件的制作比较简单。此外,该器件还拥有着较大的制作工艺容差。测试结果表明,器件的分光比调节范围覆盖1:0.67:1至1:18:1,且插损小于-1dB,同时工作带宽达到了50nm以上。在1550nm波长处,该器件的插损可达-0.2dB左右。3、提出了基于4×4MMI和级联MMI结构的全光量化器。其中,对4 X 4MMI进行了设计、制作与测试。测试结果表明,在1550nm波长处,四个输出端口之间的最大不平衡度在1dB以内,且利用两个输出端口实现了 1.853bit的有效量化。为了进一步减小量化器损耗,又提出了一种基于级联MMI结构的全光量化器。该类型量化器拥有奇数个量化通道,且尺寸较小。通过仿真,该类型量化器实现了3bit和5bit的有效量化。此外,这两款量化器的尺寸均在200μm以下,在1550nm波长下的插损均小于-0.5dB。该类型量化器制作工艺简单,对结构和波长的变化不敏感,性能也比较稳定。
【图文】：

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邋，逡逑．ｔ邋．邋ｒ邋？逡逑图１－１半导体芯片上的晶体管臬成度（１９７１年－２０１６年）逡逑与电子相比，光子不存在静止质量，且光子之间的干扰微乎其微，不同的波逡逑长司以利用波分复用（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＷＤＭ）技术进行传输，逡逑这意味着光传输技术可以获取更高的容量和更大的带宽。此外，光的信息处理速逡逑度很高，，且不受电磁场的影响，使得光子技术的优势愈加突出。图１－２给出了电逡逑互联和光互联在成本、带宽、传输距离上的关系图。由图片可知，当芯片的工作逡逑频率到达了邋４０ＧＨｚ以上，光互联的优势非常明显，是未来芯片互联的主要技术逡逑手段。逡逑以光子为信息载体的集成光学在近年来受到了市场的青睐，如Ｉｎｔｅｌ和ＩＢＭ逡逑等为代表的大型公司纷纷在相关领域投入大量的研发精力Ｉ１２１

关系图,光子,静止质量,半导体芯片

长司以利用波分复用（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＷＤＭ）技术进行传输，逡逑这意味着光传输技术可以获取更高的容量和更大的带宽。此外，光的信息处理速逡逑度很高，且不受电磁场的影响，使得光子技术的优势愈加突出。图１－２给出了电逡逑互联和光互联在成本、带宽、传输距离上的关系图。由图片可知，当芯片的工作逡逑频率到达了邋４０ＧＨｚ以上，光互联的优势非常明显，是未来芯片互联的主要技术逡逑手段。逡逑以光子为信息载体的集成光学在近年来受到了市场的青睐，如Ｉｎｔｅｌ和ＩＢＭ逡逑等为代表的大型公司纷纷在相关领域投入大量的研发精力Ｉ１２１，促进了相关产业逡逑的快速发展。但是，目前集成光学仍存在许多技术和理论上的难题１１３１，邋—方面集逡逑成光路还没有统一的标准化制备技术，导致制造成本比较高，难以商用化；另一逡逑方面大部分光波导尺寸在微米量级，导致芯片的面积和尺寸较大，不利于高度集逡逑成。而硅基光子学的出现
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36

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