SOI基可调谐光滤波器及异质集成研究

发布时间：2020-05-27 10:21

【摘要】：随着现代通信技术的迅猛发展,为满足海量数据传输以及超高速信息处理的需求,具备大带宽、低延迟和低损耗等优势的光互连技术已成为未来一大发展趋势。在光互连系统中,高性能的光滤波器是实现多通道波分复用、密集波分复用等功能的核心器件。在微波光子技术领域,将光学滤波器应用于微波信号处理,能够获得比微波滤波器更大的带宽、更低信号延迟以及更强抗电磁干扰等优异性能。基于绝缘体上硅(SOI)微环谐振器的光滤波器,因其滤波性能良好、结构紧凑、易于集成等优点,在光通信、微波光子等领域具有重要的应用价值,已是光学领域的一个研究热点。本论文首先从光波导理论出发,计算得到了 SOI亚微米尺寸光波导的单模传输条件,并仿真分析了 SOI光波导在不同波导宽度下的光场模式特性变化规律。为实现光纤与波导的高效耦合,仿真设计了垂直耦合的扇形结构光栅。基于传输矩阵的方法,推导出单环、串联双环结构谐振器传输函数的计算公式,分析了微环结构参数(耦合系数、损耗因子等)对滤波器输出特性的影响。为实现滤波器的滤波带宽与中心谐振波长的可调谐性,在滤波器的耦合区,采用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)耦合器代替倏逝波耦合器的改进结构。为满足高矩形度、大带宽的滤波需求,设计采用非对称的MZI耦合器与微环谐振器相结合的方案。在理论研究和优化设计的基础上,探索了 SOI微环滤波器的制备工艺,主要包括:电子束光刻、等离子体感应耦合(ICP)刻蚀、蒸发剥离等。详细探索并优化了电子束光刻工艺和ICP刻蚀工艺中的关键参数,制备出高性能的微环滤波器。基于自主搭建的光学测试平台,研究了滤波器的输出响应特性。同时,基于SOI单环的陷波特性,研制出方案简单、易于集成的可调谐微波光子陷波滤波器,其临界耦合时抑制比大于50 dB,而且具有带宽以及谐振中心频率可调谐的优点。最后,探索了 SOI滤波器与InP探测器的异质集成技术,采用以BCB聚合物为粘合剂的片上键合工艺,实现了 SO1滤波器与InP探测器的片上异质集成,并成功获得了滤波之后的光响应特性。该技术为实现片上大规模光子异质集成提供了一种实现途径。
【图文】：

Ｑ值的主要因素。采用微盘＾７］或者微球结构的谐振腔，Ｑ值高达１０８量级，其逡逑结构如图Ｕ邋（ａ）和（ｂ）所示，但其制备工艺复杂，同时难以与其它光电器件逡逑集成，而如图１．１邋（ｃ）所示的波导微环谐振器［？２３】，由于制作工艺简单并且与逡逑ＣＭＯＳ工艺兼容，成为研究光滤波器的首选结构。逡逑口一邋？！——逡逑（ａ）环形波导微盘逦（ｂ）微球逦（ｃ）波导微环逡逑图１．１不同结构的谐振腔逡逑降低波导传输损耗是提升微环谐振器Ｑ值的主要途径。２００４年，加利福尼逡逑亚高新科技研究所Ｔｏｍ邋Ｂａｅｈｒ－ｊｏｎｅｓ等人［２Ｇ］研制的ＳＯＩ环形谐振器，Ｑ值为逡逑５．７＞＜１0４，微环半径为３０邋ｎｍ，波导传输损耗为６．６邋ｄＢ／ｃｍ。同年，Ｊ．Ｎｉｅｈｕｓｍａｎｎ逡逑２逡逑

逦电子科学研究院硕士学位论文逦逡逑顶不够平坦，同时边缘下降很慢，很难满足实际应用需求。通过采取多个微环级逡逑联的方式，严格设计微环之间的耦合系数，可以增加通带带宽以及改善滤波曲线逡逑形状因子。２００６年，ＦｅｎｇｎｉａｎＸｉａ等人［２６１成功制备并测试了邋１６个级联的微环，逡逑微环的半径为６．５邋ｐｍ，其结构如图丨．３邋（ａ）所示，从测试结果图丨．３邋（ｂ）中可以逡逑看出，级联微环明显改善了滤波器输出曲线的形状因子以及扩展了滤波带宽，但逡逑受器件损耗的影响，，微环个数越多带内纹波也越大。逡逑
【学位授予单位】：中国电子科技集团公司电子科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713

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本文编号：2683384