基于絕緣體上硅(SOI)納米光波導(dǎo)的硅光子回路在集成光子學(xué)領(lǐng)域有廣闊的前景,其突出的特點(diǎn)是通信波段透明、具有高折射率差、加工工藝與成熟的CMOS工藝技術(shù)兼容,適合大規(guī)模制備和集成。納米SOI波導(dǎo)與光纖之間的高效光耦合是納米波導(dǎo)器件及芯片走向應(yīng)用必須攻克的難點(diǎn)之一。本論文針對納米SOI波導(dǎo)與光纖耦合問題,提出一套利用V型槽實(shí)現(xiàn)納米SOI波導(dǎo)與光纖自動對準(zhǔn)并利用倒錐耦合器實(shí)現(xiàn)兩者高效光耦合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。論文從波導(dǎo)與光纖耦合理論出發(fā),通過模擬倒錐耦合器優(yōu)化了器件參數(shù)。設(shè)計了器件制備的工藝流程,并通過工藝實(shí)驗(yàn)制備出了V型槽結(jié)構(gòu),制備出了倒錐耦合器,單個端面耦合損耗為3.5d B。本論文內(nèi)容上包含兩大部分。第一部分討論了波導(dǎo)與光纖耦合理論,運(yùn)用FDTD軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的倒錐耦合器進(jìn)行模擬仿真,優(yōu)化了器件參數(shù)。提出利用V型槽實(shí)現(xiàn)納米SOI波導(dǎo)與光纖自動對準(zhǔn)并利用倒錐耦合器實(shí)現(xiàn)兩者高效光耦合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計了器件制備工藝流程。第二部分分析工藝結(jié)果。采用EBL(電子束光刻)和ICP刻蝕工藝制備出了SOI波導(dǎo)和倒錐波導(dǎo)。進(jìn)一步在SOI倒錐上旋涂3.8μm的SU8光刻膠,使用EBL套刻工藝制備出覆蓋在SOI倒錐上的SU8包層波導(dǎo)。為了避免端面拋光,研究了通過紫外曝光套刻技術(shù)結(jié)合ICP深刻蝕技術(shù)在耦合端面處制備深槽,為耦合器與光纖耦合提供放置空間,實(shí)現(xiàn)了完整的耦合器結(jié)構(gòu),耦合效率測試結(jié)果顯示單個端面耦合損耗為3.5d B。為了解決光纖端面與耦合器對準(zhǔn)的問題,研究了采用紫外曝光套刻技術(shù)和硅的各向異性濕法腐蝕方法制備V型槽,成功制備出了硅V型槽,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)自動對準(zhǔn)的光耦合奠定基礎(chǔ)。本論文圍繞納米SOI波導(dǎo)與光纖的耦合問題,研究了采用電子束曝光技術(shù)在旋涂的SU8膠上直接定義SOI倒錐上的包層波導(dǎo)及耦合器端面;研究了用耦合器端面處深槽避免硅片解理和拋光的難點(diǎn);研究了用V型槽解決光纖與耦合器的對準(zhǔn)問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為提高納米SOI波導(dǎo)與光纖耦合效率及降低技術(shù)難度提供了思路。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN25
【部分圖文】：

合問題背景通信在過去半個世紀(jì)在信息行業(yè)發(fā)展迅速，但隨著晶體管特征尺寸的不法突破電子瓶頸，電通信面臨一些困難，如信號延遲大，傳輸帶寬小，功擾大，集成度提高的速度緩慢。隨著光學(xué)的發(fā)展，人們開始關(guān)注具有大，低功耗，干擾小的光通信。早在 20 世紀(jì) 70 年代中期，作為長距離光纖通信已經(jīng)取得了巨大成功并完全取代電纜，但在短距離通信中仍然以主要原因是支撐電通信的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝發(fā)展相當(dāng)微電子的發(fā)展取得了巨大成功，化合物半導(dǎo)體（如 InP）也緊隨其后推發(fā)展，逐漸形成光電集成為代表的交叉領(lǐng)域，圖 1-1 表示光子集成的發(fā)展信中依賴的化合物半導(dǎo)體與 CMOS 工藝間的巨大不兼容性未消除，為此而生。

采用 SOI 納米波導(dǎo)能夠大大減小光降低器件功耗�；� SOI 納米波導(dǎo)的硅基光傳輸，光調(diào)制，光探測等方向。信號經(jīng)波導(dǎo)輸出，耦合進(jìn)入光纖，經(jīng)光纖傳耦合[2]。在集成波導(dǎo)與光纖之間為達(dá)到良好波導(dǎo)的模場盡可能與光纖匹配。模場匹配與一般情況下波導(dǎo)的尺寸是微米或亞微米量級模場是非圓分布；而標(biāo)準(zhǔn)單模光纖模場是直模場匹配度一般都不高。同時，在光纖通信波導(dǎo)與光纖的對準(zhǔn)問題，即利用高精度調(diào)整響波導(dǎo)與光纖耦合的主要原因是模場匹配和

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文Bookham 公司的 Day 等[3]在 2003 年的國際光纖通信會議上最早提出如圖 1-3（a）示水平錐形耦合器，錐形面對光纖端尺寸是 12 μm，錐形長度是 1 mm，該耦合器與纖端面的耦合損耗接近 0.5 dB。2005 年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所對該結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)在絕緣體上硅片（SOI）制作水平錐形耦合器，如圖 1-3（b）所示，因?yàn)槭羌共▽?dǎo)構(gòu)，分為上脊和下脊兩部分[4]。該結(jié)構(gòu)中，下脊是 Si 片，上脊有雙層結(jié)構(gòu)，上脊下寬 12 μm，對接光纖 10 μm 尺寸，高 2 μm，上脊上層寬 8 μm，錐形長度 1.5 mm，4 μm，波導(dǎo)寬度 3.5 μm，仿真結(jié)果表明,將光纖與波導(dǎo)直接對準(zhǔn), 波導(dǎo)與光纖的耦合耗達(dá)到 4 dB，在使用該耦合器下測試系統(tǒng)，耦合損耗僅有 0.44 dB。此種設(shè)計耦合效較高，但器件尺寸太大，不適應(yīng)小尺寸亞微要求且不利于單片集成，偏振敏感性較

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 張立國,陳迪,楊帆,李以貴;SU-8膠光刻工藝研究[J];光學(xué)精密工程;2002年03期

2 馬慧蓮,楊建義,李瑾,王明華;光波導(dǎo)-單模光纖的直接耦合[J];光通信研究;2000年03期

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1 王永進(jìn);SOI光波導(dǎo)器件及其增透膜的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2005年

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1 尤楊;集成光波導(dǎo)與光纖的耦合設(shè)計研究[D];華中科技大學(xué);2013年

本文編號：2827919