基于硅基SU-8光波导的微环谐振器及光电探测器研究

发布时间：2017-05-23 23:14

  本文关键词：基于硅基SU-8光波导的微环谐振器及光电探测器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着光通信技术和光学传感技术的快速发展,集成光子器件因为其独特的优势如：高集成度、小型化等引起了广泛的关注。在铌酸锂、SiO2、Si、InP、SiN、聚合物等各类集成光学材料中,聚合物材料因为其低成本,低损耗,工艺简单等方面有着巨大的优势。除此之外,聚合物材料还具有很高的热光系数,这对于低功耗的热光开关,热光非线性效应很有利。本文基于SU-8聚合物材料,在通信波段设计并制作了两种新型的高Q的微环器件,并对其中一种高Q值的微环基于SU-8高热光系数探究了非线性效应。另外,针对SU-8聚合物材料在可见光波段具有更低的光学损耗以及硅材料在可见光波段的吸收特性,设计并制作了聚合物悬挂型波导硅探测器,并在此基础上实现了片上集成传感器。本文回顾了平面光波导的基本理论,介绍了几种常用的数值计算方法。首先介绍了波动方程理论,利用波动方程对平板波导的进行了解析解和对条形波导的做了近似解。对于波导器件的精确求解,数值计算提供很好的思路,之后介绍了几种常用的数值计算方法,包括光束传输法,有限差分法和时域有限差分法等。提出并实现了一种新型的微环谐振器(MRR),该器件的耦合区是基于2×2角度型的多模干涉耦合仪(MMI),角度型MMI克服了传统的MMI固定的分光特性,可以通过改变MMI的弯曲角度,得到连续可变的耦合系数。在文中,设计实现了一系列不同Q值的MRR,当弯曲角度为3.25。时,微环的Q值最大,为25000。除此之外,角度型MMI制作容差大,工艺方便,而定向耦合器(DC)想要达到同等的耦合比,两波导的间隙要足够的窄(1μm),这样就需要高精度的工艺设备,成本很高。最后文中将实验结果与理论结果进行了对比,两者吻合的很好。脊形波导由于有平板层的存在具有很小的损耗,基于这种波导,设计了一种跑道型微环器件,该器件的耦合区为DC,因为有了平板层的存在,耦合较容易发生,普通的接触式光刻就能达到工艺要求。实验中脊形波导的制作采用了两次匀胶,两次曝光的新的工艺方案,不需要传统的制作脊形波导过程中的刻蚀工艺,从而避免了由于刻蚀带来的表面粗糙,降低了散射损耗。实验得到了一系列不同耦合系数的MRR,Q值最高能达到34700。之后对其中一种耦合长度的MRR进行了热光非线性的研究,通过输入不同功率的光,观察到了由于较大的热光系数,谐振峰发生了漂移,在此基础上,观察到了显著的光学双稳态效应,并将理论模型与实验结果对比,吻合的很好。利用SU-8聚合物在可见光波段更低的吸收,以及硅半导体材料在可见光波段的吸收特性,设计制作了悬挂波导型光电探测器,经过一系列设计上和实验上的改进,将电极长度从710 μ m减小到150μ m,暗电流由4.39uA@5V减小到200nA@2.45V,而光响应度由0.232A/W增大到0.326A/W,之后在此基础上完成了片上集成传感器的制作,测试了空气中和酒精中强度,观察到光电流发生了显著的变化。
【关键词】：聚合物器件 微环谐振器 角度型MMI 脊形波导 跑道型徼环 非线性效应 双稳态 悬挂波导型光电探测器 金属-半导体-金属光电探测器 集成传感器
【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】：TN252
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1. 绪论12-24
• 1.1 集成光子器件的发展现状12-16
• 1.2 聚合物波导的发展16-17
• 1.3 聚合物传感器以及与集成传感器的发展17-20
• 1.4 本论文的主要内容20-21
• 1.5 本论文的创新点21-24
• 2 光波导基本理论及数值方法24-42
• 2.1 光波导的基本概述24-25
• 2.2 波动方程25-27
• 2.3 平板波导27-30
• 2.4 条形波导30-33
• 2.5 光波导的数值计算方法33-40
• 2.6 边界条件40-42
• 3 基于角度型MMI的微环器件42-62
• 3.1 微环的基本结构42
• 3.2 微环的基本参量42-44
• 3.3 传输矩阵法对单个微环的分析44-48
• 3.4 基于角度型MMI的微环谐振器件的设计48-53
• 3.5 MRR器件的制作53-56
• 3.6 MRR器件的测试与分析56-60
• 3.7 本章总结60-62
• 4 跑道型MRR及其热光非线性效应62-78
• 4.1 基于脊形波导的跑道型MRR的设计62-65
• 4.2 制作过程65-66
• 4.3 测试结果66-70
• 4.4 非线性的探究70-75
• 4.5 本章总结75-78
• 5 悬挂型波导探测器以及集成传感器78-106
• 5.1 背景陈述78
• 5.2 悬挂波导结构和设计78-81
• 5.3 波导型MSM光电探测器的原理以及电极设计81-88
• 5.4 波导型MSM光电探测器的制作过程以及注意点88-92
• 5.5 波导型MSM光电探测器的性能92-96
• 5.6 悬挂波导型光电探测器的改进96-104
• 5.7 本章总结104-106
• 6 总结与展望106-108
• 参考文献108-120
• 作者简介120
• 研究成果120

【共引文献】

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