硅基微环谐振器特性研究及其应用

发布时间：2016-11-18 14:18

  本文关键词：硅基微环谐振器特性研究及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

《浙江大学》 2015年

硅基微环谐振器特性研究及其应用

陈朋鑫  

【摘要】：随着人们对信息处理速度,数据传输速率等的要求不断提高,具有能耗小,抗干扰能力强,带宽大,损耗小等优点的光互连技术得到巨大地发展。硅光子学因硅折射率较大且从近红外到远红外是透明的等特点已然成为主要的光集成平台之一。更为重要的是其制作工艺与业已成熟的CMOS工艺相兼容使其制作成本比较低。在众多硅基集成器件中,微环谐振器是常见的光学器件之一,这得益于微环谐振器的尺寸比较小,功能丰富可用于多种场合等优点。单个微环谐振器其频谱响应是典型的洛仑兹曲线,3dB带宽比较窄,上升沿/下降沿不够陡峭。在某些应用中如滤波器往往希望实现平顶型的频谱输出,这可以通过级联多个微环来实现。级联微环的设计需要优化相邻两个微环间以及微环和输入/输出信道间的功率耦合系数。例如,五阶的级联微环谐振器当功率耦合系数κ2(κ为振幅耦合系数)分别为0.45,0.09,0.05,0.05,0.09和0.45时可以实现较好的平顶型频谱输出。为了在微环和输入/输出信道间实现高效的功率耦合如0.45,其耦合区通常采用多模干涉器(MMI)或者比较长的定向耦合器,但这些耦合方法会减小自由频谱范围(FSR)并引入额外的损耗。为解决这个问题,我们提出一种基于弯曲耦合器的级联微环谐振器来实现平顶型频谱输出。在目前的设计中,利用弯曲耦合器将光场从输入/输出波导中耦合到微环里,并可通过调整其耦合长度来实现对不同耦合功率的选择。另外,这种结构理论上没有额外的损耗且和通常的微环谐振器具有相同的腔长。实际测试级联两个,三个和五个微环的频谱的3dB带宽分别为2.0nm、2.6nm、2.38nm,带外抑制比分别为25dB、30dB、36dB。微环谐振器在WDM系统中也得到了广泛地应用。其问题在于在制作过程中微环的宽度并不是严格地等于设计值,而会存在一定随机波动。微环宽度的随机波动会影响到微环中导模的有效折射率,进而造成谐振峰的随机漂移。在恶劣的情况下,中心波长随机漂移会造成器件的失效。为此,我们提出了一种改进的办法,即利用宽波导制作微环谐振器。这是因为波导的宽度越宽,波导的有效折射率对波导宽度越不敏感。仿真结果显示,当波导的宽度由0.40μm增宽到1.50μm时,(?)λ/(?)ω有1.07降到0.0263。另一方面,宽的微环波导不仅仅支持基模还支持高阶模。相应地,其频谱输出中会存在一些不希望出现的高阶模式的谐振峰。通过选择合适的结构参数,弯曲耦合器何以有效地抑制高阶模的激发。仿真和实验结果表明采用这种结构的微环阵列其谐振峰波长的随机漂移得到有效地减小。硅材料的温度系数为正且比较大约为1.8×10-4/℃,这意味着硅基集成器件极易受外界温度变化的影响。为解决这个问题,可以通过用具有负温度系数的TiO2作为上包层来补偿,减少外界温度变化对硅基集成器件的影响。与常用作补偿材料的聚合物相比,TiO2稳定性更好。我们利用TiO2作为上包层设计制作了硅基微环谐振器,实验结果显示徽环谐振器的温漂从约70p/℃降低至约30pm/℃。

【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN629.1
【目录】：

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