基于共振效应的硅基高性能光学器件

发布时间：2020-04-22 00:23

【摘要】：硅基光子集成已经成为光通信、高性能计算、光学传感器和人工智能等众多应用领域的前沿技术之一。在过去的二十年中,硅基光子学领域有了许多突破性的进展。例如,混合硅基激光器,多种类型的调制器、高速光探测器和其它基础集成单元。光子集成回路结合了光波导的独有特性,如低传播损耗、无衍射、强光场限制、低串扰、以及抗电磁干扰能力。此外,还有其它优异的特性,如特征尺寸小、结构紧凑、稳定性强,低功耗,以及低制造成本的可能性。综上,硅基光子集成拥有巨大的市场潜力,已经引起了业界的广泛兴趣。各种形状的高Q微腔是集成光学的多功能元件。它们可以把共振频率的光波限制在小空间区域内持续较长的时间,并改变光与物质的相互作用的效果。优异的光波存储能力对于许多光学应用具有很强吸引力,如滤波、开关和传感。逆向设计方法是利用优化算法,对线性无源光学器件的全设计参数空间进行探索。而且,它已经在设计超紧凑和高性能集成光子器件方面显示了出巨大潜力。自然的和人造的谐振器给我们带来许多有用的应用,从简单的乐器到复杂的设备,例如激光器。谐振态是光子学的基石,例如熟悉的法布里珀罗谐振器和布拉格谐振器是被用来作制做独特性能的复杂光学器件的结构单元。为了成功地设计光子器件,深入了解不同的谐振现象和它们间的联系非常重要。例如,回音壁模式可以被认为是电磁波被强烈限制在环形或者球形微腔中传播。法布里珀罗谐振器基于光波在两个端面镜之间往返传播,这样连续往复的传播是由于光波干涉在腔内形成了驻波效应。另外,一些亚波长的结构可以支持有效控制和增强光吸收和散射的光学共振效应。本文采用激光辐照致使硅基蘑菇型微结构发生形变在芯片上制备了高Q硅基微球腔。蘑菇型结构采用两步Bosch工艺制备,然后经过一定短时间532nm激光辐照加热熔化后,由于表面张力的作用形成球形微腔。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对其形状和表面粗糙度进行了表征。表面的RMS粗糙度约为0.6nm。我们利用拉锥光纤耦合系统测量了其光学谐振性能。结果显示直径约15μm的微球腔的Q值大于105。波导十字交叉结构是一种重要的集成光子器件,将大量地应用于高密度和大规模的光子集成。利用逆向设计的概念,我们成功地设计了一种超紧凑波导十字交叉结构。数值模拟结果表明,这种具有类透镜状结构的十字交叉结构在C波段内插入损耗小于0.175dB,串扰小于-37dB。虽然我们的微纳加工条件有限,但是,我们实际制备的十字交叉结构性能依然不错,实验测量的插入损耗在C波段小于0.28dB,串扰大约在-30dB。我们认为这个器件高透过率背后的机理是在其传输路径上面的两个类透镜结构形成了一个法布里珀罗腔,该腔支持一个共振隧穿效应,使得该器件具有低的插入损耗和高透过率。我们基于微纳结构的共振效应设计了一种宽带硅基减反射结构。然后利用粒子群优化算法对其主要参数进行微调和优化。利用FDTD进行数值模拟,结果显示其可以在很宽的波长范围内发挥明显地减反作用。在400nm到1100nm波段,增加亚波长减反结构后的硅表面反射率的平均值为5%以下。在理想条件下,研究了具有该减反结构的薄膜太阳能电池,其短路电流(Jsc)约为28.6 mA/cm2,与没有AR层的装置相比,增加了 53%。
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据在不停地增长；而且，物联网时代已经初现端倪。可想在可以预见的未来，物联逡逑网将会产生更大体量的数据和信息。微电子技木承载了互联网行业辉煌的几十年，逡逑但是，后摩尔时代微电子技木的发展遇到了极大地挑战和瓶颈。不断增长的数据逡逑流量和信息体量，将很快让微电子的芯片能耗、集成密度和处理速度达到物理极逡逑限。目前，随着数据流量和运算处理速度需求地不断提高；同时，微电子产品也逡逑在不断地加速小型化，此外，还要兼顾商业成本等一系列问题。综上，这些因素逡逑促使了全球硅基光电子市场的现实需求和潜在市场不断加大，而且，已经逐渐成逡逑为硅基光电子技术发展的强大推力。虽然，硅基光电子技术的发展时间并不长，逡逑从２０世纪８０年代至今：但是，在这几十年中，硅基光电子技术经历了一个爆炸逡逑性的发展时期。硅基光电子技术无疑是一个颠後性的技木，将会给很多领域带来逡逑革命性的改变，例如超大型数据中心、超高性能计算和新型探测技术［１－４］，如图逡逑１．１所示。逡逑

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图１．３硅基光电子技术的应用领域丨１６｜逡逑事实上，２０世纪９０年代，利用高频率低损耗的光纤来传输信号已经革命性逡逑地改变了远距离信号传输的互联网世界。但是，由于种种原因，在短距离信号传逡逑输系统中，光信号还没有取代电信号。现在，硅光集成的应用主要集中在短距离逡逑的光互联方面，例如：数据中心服务器之间的互联。除此之外，其它方面有可植逡逑入的医疗芯片和家庭与家庭之间的光纤互联。而且，在中红外及更长的波段可以逡逑用于探测、环境监测和防御安全方面的应用。总而言之，，硅基光电子技术作为一逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】