硅基光学芯片的红外调控器件及性能研究

发布时间：2020-05-23 17:46

【摘要】：硅基光学芯片可以与现代半导体晶圆加工工艺相兼容,为红外光谱、探测、通信、计算等系统的低成本、小型化、大规模集成带来可能性。单晶硅在红外波段具有很低的吸收损耗和较大的折射率,红外波段在通信、物质检测等领域都有着独特的优势,因此各国的科学及工业界都在不断加大对基于硅基光学芯片的红外光学系统原理及应用研究的投入。借助于半导体工艺的发展,硅基光学芯片在近几年得到了快速的发展,但是由于材料及体积的限制,许多用于自由空间的光学元器件无法有效地移植到硅基芯片上,普遍存在插入损耗大,效率低等不足。因此本论文利用硅的低吸收损耗、高折射率特性,研究了几种新型的硅基芯片上的红外调控器件。研究了一种基于硅基亚波长光栅的反射结构。分析了高折射率光栅的内部模式耦合对红外光传输的影响。将波导模式引入高对比光栅,通过Fabry Pérot模式、波导模式和光栅模式的多种光学模式耦合实现了超宽频谱、高反射率的亚波长光栅反射结构。高反射频率区间与中心频率的比值达到30%,高反射角度范围到40°以上。研究了不同衬底结构对反射光栅反射率的影响及该多模式耦合的反射光栅对光学微腔带来的色散特性。基于高反射率光栅设计了硅基光学芯片上的滤波结构。研究了非对称结构对波导模式、光栅模式等光栅结构中的束缚态光学模式的影响。通过破坏光栅结构的对称性,实现了光学芯片上的正入射Fano共振滤波器。研究了不同模式耦合对滤波器共振频率、品质因素等性能的影响。分析了不同加工条件下对滤波器的性能影响。研究了一种硅基光学芯片上的偏振旋转器。研究了硅基矩形波导内的模式演化,设计了一种可以有效提高自由空间到硅波导耦合效率的反向渐变波导耦合器。基于理论计算,制备了双层波导结构硅基波导旋转器。实现了高转换效率、低损耗的偏振旋转器。基于硅波导的偏振旋转器,研究了硅基光学芯片上可用于量子计算的量子受控非门和互换门。利用波导内的偏振旋转器、硅基波导间的偏振分光器设计了基于路径、偏振量子位的两种受控非门。在两种受控非门基础上设计了基于路径、偏振量子位光学芯片上的量子互换门。研究了量子互换门的插入损耗及操作矩阵。
【图文】：

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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN491

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