硅基光学微环谐振器及其应用研究

发布时间：2020-10-15 08:12

　　 当今世界,信息技术的发展是爆炸式的,每时每刻在世界各地都发生着数以亿计的信息交换与分享,信息的传输量和传输速率一直都在不断提升以满足人们的需求。然而曾经以摩尔定律为指引的传统电路集成和电互连的发展因为物理极限而遭遇“瓶颈”,人们正在不断谋求新的方案。在众多新方案中,硅基集成光子学优势突出被广泛看好。所谓的“硅基集成光子学”,就是旨在利用硅基平台把各种不同功能的光电子器件集成在一起,以实现光芯片集成和片上光互连,它有着高速率、低损耗、与COMS工艺兼容等优势。在硅基集成光子学领域,光学微环谐振器是一种非常重要的元器件,它功能多样适用于构成各种不同功能应用的光器件,如传感器、激光器、光调制器、光滤波器、光开关、光延迟线、全光逻辑门等。本论文的主题是硅基光学微环谐振器及其应用研究,我们围绕硅基光学微环谐振器进行了较为深入的理论分析和实验探究,详细的内容概括可归纳如下:(1)对光波导理论和数值计算方法进行了论述介绍。对光学微环谐振器元器件的工作原理、主要性能指标、理论模型以及设计流程进行了分析,为后续的应用工作提供了可参考的理论基础与依据。(2)基于亚波长光栅波导结构,首次提出并设计了可以产生法诺(Fano)谱型的亚波长光栅微环谐振器结构。亚波长光栅波导结构的引入可以使得光与物质的相互作用得到明显的增强,非对称的Fano谱型对环境折射率变化又极为敏感,因此在将其应用到复折射率传感领域时,折射率实部和虚部的传感灵敏度都得到大幅度的提高。从理论仿真结果的分析中,我们得到其折射率实部的传感灵敏度为366 nm/RIU,较之前提高约6倍;折射率虚部的传感灵敏度约为9700/RIU,较之前提高约71倍。(3)对硅基光器件的工艺流程进行了介绍,并在实验上制备了硅基亚波长光栅微环器件。完成器件的制备后,我们对其进行了传感实验的测试。在不同浓度葡萄糖溶液的传感测试实验中,测得其折射率实部传感灵敏度为363 nm/RIU,这与理论结果非常吻合;折射率虚部的传感性能与理论上的趋势也一致。实验结果有效的印证了理论分析。(4)基于狭缝波导结构,设计了硅基掺铒聚合物狭缝微环谐振器结构。首先在SOI芯片上刻蚀得到狭缝微环谐振器,然后旋涂掺铒聚合物作为上包层且让其填充到狭缝区域。利用1480 nm泵浦源,我们对硅基掺铒聚合物狭缝微环谐振器在1530nm波长光激射的应用进行了理论上和实验上的分析与研究。
【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】：TN751.2
【部分图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2 硅基微环谐振器的基本理论硅基微环谐振器是基于硅基光波导的器件，其主要理论包括光波导基本理论、硅基微环谐振器的结构和原理以及模拟仿真分析时所涉及到的各种数值计算方法。2.1 光波导基本理论光波导是集成光学中最基础的元件，它是一种能够将光波限制在其内部或表面附近并引导光波沿确定方向传播的介质几何结构[21]。研究人员通常所探讨的基本光波导结构主有平板波导和条形波导，图 2-1 展示了它们的结构示意图。

其严格的解析解不容易得到。通常情况下我们会利的数值计算方法来对其进行求解。近似方法有马卡梯里率法[22]等；数值计算方法有限元法[23]、时域有限差分法面会有一小节单独讲解介绍，这里我们先选取最基础的述。里近似解法下，可将条形波导划分为了九块区域：波导四块区域以及不与波导芯区紧邻的四块角落区域，如图为 n1，芯区周围紧邻的四块区域折射率分别为 ni（i =型中四个标有阴影的角区域将被忽略不予考虑，其原因式的的绝大部分能量将会位于芯区，处于周围紧邻的四个阴影的角区中的光能量则会更加微弱以至于可以忽略题将会被大大简化。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文式子（2-9）和（2-12）即为ymnE 模式的本征方程，联立它们可求解得到 kx与 ky，从而最后得到模式的传播常数β。2.2 硅基微环谐振器结构与原理2.2.1 基本结构与工作原理这里我们将以最基本的单个微环结构作为分析对象。单个微环和一根直波导耦合的情况称为单直波导耦合微环谐振器。其结构示意图如图 2-3（a）所示，它分别有且只有一个输入端口（input port）和一个输出端口（output port）。它也可以等价为一个吉莱-图努瓦谐振腔，如图 2-3（b）所示。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 王阳元,黄如,刘晓彦,张兴;面向产业需求的21世纪微电子技术的发展(下)[J];物理;2004年07期

2 张彤,崔一平;集成光学国际研究进展[J];电子器件;2004年01期

本文编号：2841923