【摘要】：由于芯層與包層之間較大的折射率差,硅基光子器件擁有著非常緊湊的尺寸,可以實現(xiàn)高密度的集成。通過將各分立器件連接,形成硅基光子環(huán)路芯片,可以實現(xiàn)更復雜的功能,如光收發(fā)、光模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信噪比監(jiān)測等。這類型芯片有著高性能、低功耗、高集成度以及CMOS工藝兼容等特點,是未來集成光學的主要發(fā)展方向之一。本論文重點開展了對新型硅基光子器件的研究,如光偏振分束器、光功率耦合器、全光量化器等。主要的研究內(nèi)容和成果如下:1、提出了一種基于SOI平臺的超寬譜高性能偏振分束器。該分束器為非對稱定向耦合結(jié)構(gòu),由一根70nm刻蝕的錐形波導以及一根狹縫波導所組成。對于TM模,兩波導之間滿足相位匹配條件,可以進行有效地耦合;對于TE模,由于波導之間相位不匹配,因此無法耦合�；谠撛�,器件在S、C、L波段范圍內(nèi)有著良好的分光特性。測試結(jié)果表明,該器件在1550nm波長處針對TE模和TM模的偏振消光比分別為30dB和40dB,而插損僅為-0.17dB以及-0.22dB。此外,該器件偏振消光比在20dB以及25dB以上的波長范圍分別達到了 175nm和120nm,是目前報道中工作帶寬最寬的一款偏振分束器。器件的制作用到了兩步刻蝕,刻蝕深度分別為70nm和220nm,且器件對尺寸變化不敏感,可以通過商業(yè)流片進行制作。2、提出了一種新型的1X3可調(diào)分光比耦合器。通過級聯(lián)MMI耦合器,并調(diào)節(jié)第一級MMI的結(jié)構(gòu)尺寸,可以使輸出光場發(fā)生變化,從而改變分光比。與其它1X3功率耦合器相比,該類型器件擁有更小的尺寸,且工作帶寬達到了60nm以上;由于采用了一步刻蝕工藝,該器件的制作比較簡單。此外,該器件還擁有著較大的制作工藝容差。測試結(jié)果表明,器件的分光比調(diào)節(jié)范圍覆蓋1:0.67:1至1:18:1,且插損小于-1dB,同時工作帶寬達到了50nm以上。在1550nm波長處,該器件的插損可達-0.2dB左右。3、提出了基于4×4MMI和級聯(lián)MMI結(jié)構(gòu)的全光量化器。其中,對4 X 4MMI進行了設計、制作與測試。測試結(jié)果表明,在1550nm波長處,四個輸出端口之間的最大不平衡度在1dB以內(nèi),且利用兩個輸出端口實現(xiàn)了 1.853bit的有效量化。為了進一步減小量化器損耗,又提出了一種基于級聯(lián)MMI結(jié)構(gòu)的全光量化器。該類型量化器擁有奇數(shù)個量化通道,且尺寸較小。通過仿真,該類型量化器實現(xiàn)了3bit和5bit的有效量化。此外,這兩款量化器的尺寸均在200μm以下,在1550nm波長下的插損均小于-0.5dB。該類型量化器制作工藝簡單,對結(jié)構(gòu)和波長的變化不敏感,性能也比較穩(wěn)定。
【圖文】：

邋，逡逑．ｔ邋．邋ｒ邋？逡逑圖１－１半導體芯片上的晶體管臬成度（１９７１年－２０１６年）逡逑與電子相比，光子不存在靜止質(zhì)量，且光子之間的干擾微乎其微，不同的波逡逑長司以利用波分復用（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＷＤＭ）技術(shù)進行傳輸，逡逑這意味著光傳輸技術(shù)可以獲取更高的容量和更大的帶寬。此外，光的信息處理速逡逑度很高，，且不受電磁場的影響，使得光子技術(shù)的優(yōu)勢愈加突出。圖１－２給出了電逡逑互聯(lián)和光互聯(lián)在成本、帶寬、傳輸距離上的關系圖。由圖片可知，當芯片的工作逡逑頻率到達了邋４０ＧＨｚ以上，光互聯(lián)的優(yōu)勢非常明顯，是未來芯片互聯(lián)的主要技術(shù)逡逑手段。逡逑以光子為信息載體的集成光學在近年來受到了市場的青睞，如Ｉｎｔｅｌ和ＩＢＭ逡逑等為代表的大型公司紛紛在相關領域投入大量的研發(fā)精力Ｉ１２１

長司以利用波分復用（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＷＤＭ）技術(shù)進行傳輸，逡逑這意味著光傳輸技術(shù)可以獲取更高的容量和更大的帶寬。此外，光的信息處理速逡逑度很高，且不受電磁場的影響，使得光子技術(shù)的優(yōu)勢愈加突出。圖１－２給出了電逡逑互聯(lián)和光互聯(lián)在成本、帶寬、傳輸距離上的關系圖。由圖片可知，當芯片的工作逡逑頻率到達了邋４０ＧＨｚ以上，光互聯(lián)的優(yōu)勢非常明顯，是未來芯片互聯(lián)的主要技術(shù)逡逑手段。逡逑以光子為信息載體的集成光學在近年來受到了市場的青睞，如Ｉｎｔｅｌ和ＩＢＭ逡逑等為代表的大型公司紛紛在相關領域投入大量的研發(fā)精力Ｉ１２１，促進了相關產(chǎn)業(yè)逡逑的快速發(fā)展。但是，目前集成光學仍存在許多技術(shù)和理論上的難題１１３１，邋—方面集逡逑成光路還沒有統(tǒng)一的標準化制備技術(shù)，導致制造成本比較高，難以商用化；另一逡逑方面大部分光波導尺寸在微米量級，導致芯片的面積和尺寸較大，不利于高度集逡逑成。而硅基光子學的出現(xiàn)
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN36

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本文編號：2631969