低损耗氮化硅可重构微波光子滤波器

发布时间：2020-08-25 23:36

【摘要】：微波光子滤波器是微波光子系统中的重要器件之一,具有抗电磁干扰、宽带可调谐、可重构等优点。微波光子滤波器不仅应用在需要高速信号处理能力的雷达系统和航天领域,同时在通信系统中特别是在毫米波ROF系统中也得到广泛应用。目前微波光子滤波器正在从传统的光纤分立器件向集成芯片化方向发展,基于SOI、Si_3N_4、InP和聚合物平台的相关器件都有报道。其中氮化硅光波导因具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、与CMOS工艺相兼容等优点,被广泛应用于集成光器件的研究。本论文主要研究芯层厚度为200nm的低损耗单条形氮化硅光波导以及基于该氮化硅光波导微环谐振器的可重构微波光子滤波器。第一部分主要研究了低损耗单条形氮化硅光波导的制备工艺及其优化方法。对波导的截面尺寸、弯曲半径、耦合间距及耦合长度等参数进行设计;在此基础上,通过光刻、反应离子刻蚀、PECVD、退火等工艺制备了宽度为1.5μm、厚度为200nm的单条形氮化硅光波导,并通过截断法和微环法对光波导的损耗特性进行测试,分析了退火过程对波导传输损耗的影响。利用截断法测得未退火、退火3小时和退火6小时三种退火时间下的氮化硅光波导的传输损耗分别为3.45dB/cm、1.61dB/cm和1.34dB/cm,且与模场直径为4.8μm的细径光纤的端面耦合损耗分别为1.73dB/cm、1.63dB/cm和1.64dB/cm;同时,通过测得的跑道型微环谐振腔的传输光谱,拟合得到未退火、退火3小时和退火6小时三种退火时间下的氮化硅光波导的传输损耗分别为3.95dB/cm、1.64 dB/cm和1.66 dB/cm。两种测试方案结果表明,退火过程可以明显降低单条形氮化硅光波导的传输损耗。第二部分主要在制备的低损耗氮化硅光波导基础上,对基于MZI耦合微环谐振腔的可重构微波光子滤波器进行了研究。基于耦合模理论和传输矩阵法对MZI耦合微环谐振腔及基于微环耦合非对称MZI干涉器的光子滤波器理论模型进行分析。对器件中的2×2多模干涉耦合器(MMI)和用于热光调谐的金属电极的结构尺寸进行设计并优化。利用低损耗氮化硅光波导的制备工艺对设计的可重构光子滤波器进行制备,并进行通光测试。实验结果表明,对于单个MZI耦合微环谐振腔来说,在0~10.5V电压范围内可实现消光比从1.6dB~22dB的调谐,谐振波长实现一个FSR的偏移所需要为11.5V。为了得到更大的消光比,将MZI耦合微环谐振腔双环级联,最终取得消光比达30.3dB的效果。而制备的基于微环耦合非对称MZI干涉器的可重构光子滤波器实现了3dB带宽约为3.125GHz、占整个器件FSR的13.9%的窄带通滤波器和3dB带宽约为11.2GHz、占整个器件FSR的50%的宽带通滤波器,通过改变器件参数可实现窄带通滤波器和宽带通滤波器之间的转换。最后,采用制备的MZI耦合微环谐振腔搭建了可重构微波光子链路系统,测试结果表明基于MZI耦合微环谐振腔的可重构微波光子带阻滤波器实现了带外抑制比从0.2dB~44.1dB的调谐以及16.4GHz的频率调谐范围。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713
【图文】：

图 1-1 单条型氮化硅光波导横截面 SEM 图，加州大学圣芭芭拉分校的 Jared F.Bauters 等人提出了一种新的光波导的方法[9]。利用 LPCVD 技术制备具有高深宽比（宽度：厚度波导，其横截面示意图如图 1-2 所示。通过微环法和光频域反射径分别为 0.5mm 和 2mm 时的损耗为 8-9dB/m 和 3dB/m。图 1-2 超低损耗氮化硅光波导横截面示意图red F.Bauters 等人通过相同工艺制备了厚度为 50nm 的多模氮化硅[10]

东南大学硕士学位论文图 1-1 单条型氮化硅光波导横截面 SEM芭芭拉分校的 Jared F.Bauters 等人[9]。利用 LPCVD 技术制备具有高深面示意图如图 1-2 所示。通过微环mm 和 2mm 时的损耗为 8-9dB/m 和

研究了光波导不同宽度对其传输损耗的影响[10]。多模氮化硅光波导横截面示意图如图1-3 所示，最终实现了单模波导传输损耗为 0.7±0.02dB/m 和多模波导基模传输损耗为0.43±0.04dB/m 的低损耗氮化硅光波导。图 1-3 多模氮化硅光波导横截面示意图2011 年，特温特大学的 Leimeng Zhuang，David Marpaung 等人基于 TriPleX 技术设计并制备了低损耗双条形氮化硅光波导[11]，光波导横截面 SEM 图如图 1-4 所示。芯

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本文编号：2804345