纳米SOI波导与光纤的耦合研究

发布时间：2020-09-27 13:10

　　基于绝缘体上硅(SOI)纳米光波导的硅光子回路在集成光子学领域有广阔的前景,其突出的特点是通信波段透明、具有高折射率差、加工工艺与成熟的CMOS工艺技术兼容,适合大规模制备和集成。纳米SOI波导与光纤之间的高效光耦合是纳米波导器件及芯片走向应用必须攻克的难点之一。本论文针对纳米SOI波导与光纤耦合问题,提出一套利用V型槽实现纳米SOI波导与光纤自动对准并利用倒锥耦合器实现两者高效光耦合的系统结构。论文从波导与光纤耦合理论出发,通过模拟倒锥耦合器优化了器件参数。设计了器件制备的工艺流程,并通过工艺实验制备出了V型槽结构,制备出了倒锥耦合器,单个端面耦合损耗为3.5d B。本论文内容上包含两大部分。第一部分讨论了波导与光纤耦合理论,运用FDTD软件对系统结构中的倒锥耦合器进行模拟仿真,优化了器件参数。提出利用V型槽实现纳米SOI波导与光纤自动对准并利用倒锥耦合器实现两者高效光耦合的系统结构,设计了器件制备工艺流程。第二部分分析工艺结果。采用EBL(电子束光刻)和ICP刻蚀工艺制备出了SOI波导和倒锥波导。进一步在SOI倒锥上旋涂3.8μm的SU8光刻胶,使用EBL套刻工艺制备出覆盖在SOI倒锥上的SU8包层波导。为了避免端面抛光,研究了通过紫外曝光套刻技术结合ICP深刻蚀技术在耦合端面处制备深槽,为耦合器与光纤耦合提供放置空间,实现了完整的耦合器结构,耦合效率测试结果显示单个端面耦合损耗为3.5d B。为了解决光纤端面与耦合器对准的问题,研究了采用紫外曝光套刻技术和硅的各向异性湿法腐蚀方法制备V型槽,成功制备出了硅V型槽,为后续实现自动对准的光耦合奠定基础。本论文围绕纳米SOI波导与光纤的耦合问题,研究了采用电子束曝光技术在旋涂的SU8胶上直接定义SOI倒锥上的包层波导及耦合器端面;研究了用耦合器端面处深槽避免硅片解理和抛光的难点;研究了用V型槽解决光纤与耦合器的对准问题。实验结果为提高纳米SOI波导与光纤耦合效率及降低技术难度提供了思路。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN25
【部分图文】：

光子集成,化合物半导体

合问题背景通信在过去半个世纪在信息行业发展迅速，但随着晶体管特征尺寸的不法突破电子瓶颈，电通信面临一些困难，如信号延迟大，传输带宽小，功扰大，集成度提高的速度缓慢。随着光学的发展，人们开始关注具有大，低功耗，干扰小的光通信。早在 20 世纪 70 年代中期，作为长距离光纤通信已经取得了巨大成功并完全取代电缆，但在短距离通信中仍然以主要原因是支撑电通信的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺发展相当微电子的发展取得了巨大成功，化合物半导体（如 InP）也紧随其后推发展，逐渐形成光电集成为代表的交叉领域，图 1-1 表示光子集成的发展信中依赖的化合物半导体与 CMOS 工艺间的巨大不兼容性未消除，为此而生。

示意图,波导,模场,示意图

采用 SOI 纳米波导能够大大减小光降低器件功耗。基于 SOI 纳米波导的硅基光传输，光调制，光探测等方向。信号经波导输出，耦合进入光纤，经光纤传耦合[2]。在集成波导与光纤之间为达到良好波导的模场尽可能与光纤匹配。模场匹配与一般情况下波导的尺寸是微米或亚微米量级模场是非圆分布；而标准单模光纤模场是直模场匹配度一般都不高。同时，在光纤通信波导与光纤的对准问题，即利用高精度调整响波导与光纤耦合的主要原因是模场匹配和

锥形耦合器

华中科技大学硕士学位论文Bookham 公司的 Day 等[3]在 2003 年的国际光纤通信会议上最早提出如图 1-3（a）示水平锥形耦合器，锥形面对光纤端尺寸是 12 μm，锥形长度是 1 mm，该耦合器与纤端面的耦合损耗接近 0.5 dB。2005 年中国科学院半导体研究所对该结构做了改进在绝缘体上硅片（SOI）制作水平锥形耦合器，如图 1-3（b）所示，因为是脊波导构，分为上脊和下脊两部分[4]。该结构中，下脊是 Si 片，上脊有双层结构，上脊下宽 12 μm，对接光纤 10 μm 尺寸，高 2 μm，上脊上层宽 8 μm，锥形长度 1.5 mm，4 μm，波导宽度 3.5 μm，仿真结果表明,将光纤与波导直接对准, 波导与光纤的耦合耗达到 4 dB，在使用该耦合器下测试系统，耦合损耗仅有 0.44 dB。此种设计耦合效较高，但器件尺寸太大，不适应小尺寸亚微要求且不利于单片集成，偏振敏感性较

【参考文献】