【摘要】：硅基光子集成已經(jīng)成為光通信、高性能計算、光學(xué)傳感器和人工智能等眾多應(yīng)用領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。在過去的二十年中,硅基光子學(xué)領(lǐng)域有了許多突破性的進(jìn)展。例如,混合硅基激光器,多種類型的調(diào)制器、高速光探測器和其它基礎(chǔ)集成單元。光子集成回路結(jié)合了光波導(dǎo)的獨有特性,如低傳播損耗、無衍射、強光場限制、低串?dāng)_、以及抗電磁干擾能力。此外,還有其它優(yōu)異的特性,如特征尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強,低功耗,以及低制造成本的可能性。綜上,硅基光子集成擁有巨大的市場潛力,已經(jīng)引起了業(yè)界的廣泛興趣。各種形狀的高Q微腔是集成光學(xué)的多功能元件。它們可以把共振頻率的光波限制在小空間區(qū)域內(nèi)持續(xù)較長的時間,并改變光與物質(zhì)的相互作用的效果。優(yōu)異的光波存儲能力對于許多光學(xué)應(yīng)用具有很強吸引力,如濾波、開關(guān)和傳感。逆向設(shè)計方法是利用優(yōu)化算法,對線性無源光學(xué)器件的全設(shè)計參數(shù)空間進(jìn)行探索。而且,它已經(jīng)在設(shè)計超緊湊和高性能集成光子器件方面顯示了出巨大潛力。自然的和人造的諧振器給我們帶來許多有用的應(yīng)用,從簡單的樂器到復(fù)雜的設(shè)備,例如激光器。諧振態(tài)是光子學(xué)的基石,例如熟悉的法布里珀羅諧振器和布拉格諧振器是被用來作制做獨特性能的復(fù)雜光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)單元。為了成功地設(shè)計光子器件,深入了解不同的諧振現(xiàn)象和它們間的聯(lián)系非常重要。例如,回音壁模式可以被認(rèn)為是電磁波被強烈限制在環(huán)形或者球形微腔中傳播。法布里珀羅諧振器基于光波在兩個端面鏡之間往返傳播,這樣連續(xù)往復(fù)的傳播是由于光波干涉在腔內(nèi)形成了駐波效應(yīng)。另外,一些亞波長的結(jié)構(gòu)可以支持有效控制和增強光吸收和散射的光學(xué)共振效應(yīng)。本文采用激光輻照致使硅基蘑菇型微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變在芯片上制備了高Q硅基微球腔。蘑菇型結(jié)構(gòu)采用兩步Bosch工藝制備,然后經(jīng)過一定短時間532nm激光輻照加熱熔化后,由于表面張力的作用形成球形微腔。利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對其形狀和表面粗糙度進(jìn)行了表征。表面的RMS粗糙度約為0.6nm。我們利用拉錐光纖耦合系統(tǒng)測量了其光學(xué)諧振性能。結(jié)果顯示直徑約15μm的微球腔的Q值大于105。波導(dǎo)十字交叉結(jié)構(gòu)是一種重要的集成光子器件,將大量地應(yīng)用于高密度和大規(guī)模的光子集成。利用逆向設(shè)計的概念,我們成功地設(shè)計了一種超緊湊波導(dǎo)十字交叉結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果表明,這種具有類透鏡狀結(jié)構(gòu)的十字交叉結(jié)構(gòu)在C波段內(nèi)插入損耗小于0.175dB,串?dāng)_小于-37dB。雖然我們的微納加工條件有限,但是,我們實際制備的十字交叉結(jié)構(gòu)性能依然不錯,實驗測量的插入損耗在C波段小于0.28dB,串?dāng)_大約在-30dB。我們認(rèn)為這個器件高透過率背后的機理是在其傳輸路徑上面的兩個類透鏡結(jié)構(gòu)形成了一個法布里珀羅腔,該腔支持一個共振隧穿效應(yīng),使得該器件具有低的插入損耗和高透過率。我們基于微納結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)設(shè)計了一種寬帶硅基減反射結(jié)構(gòu)。然后利用粒子群優(yōu)化算法對其主要參數(shù)進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化。利用FDTD進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示其可以在很寬的波長范圍內(nèi)發(fā)揮明顯地減反作用。在400nm到1100nm波段,增加亞波長減反結(jié)構(gòu)后的硅表面反射率的平均值為5%以下。在理想條件下,研究了具有該減反結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池,其短路電流(Jsc)約為28.6 mA/cm2,與沒有AR層的裝置相比,增加了 53%。
【圖文】：

據(jù)在不停地增長；而且，物聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)初現(xiàn)端倪。可想在可以預(yù)見的未來，物聯(lián)逡逑網(wǎng)將會產(chǎn)生更大體量的數(shù)據(jù)和信息。微電子技木承載了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)輝煌的幾十年，逡逑但是，后摩爾時代微電子技木的發(fā)展遇到了極大地挑戰(zhàn)和瓶頸。不斷增長的數(shù)據(jù)逡逑流量和信息體量，將很快讓微電子的芯片能耗、集成密度和處理速度達(dá)到物理極逡逑限。目前，隨著數(shù)據(jù)流量和運算處理速度需求地不斷提高；同時，微電子產(chǎn)品也逡逑在不斷地加速小型化，此外，還要兼顧商業(yè)成本等一系列問題。綜上，這些因素逡逑促使了全球硅基光電子市場的現(xiàn)實需求和潛在市場不斷加大，而且，已經(jīng)逐漸成逡逑為硅基光電子技術(shù)發(fā)展的強大推力。雖然，硅基光電子技術(shù)的發(fā)展時間并不長，逡逑從２０世紀(jì)８０年代至今：但是，在這幾十年中，硅基光電子技術(shù)經(jīng)歷了一個爆炸逡逑性的發(fā)展時期。硅基光電子技術(shù)無疑是一個顛後性的技木，將會給很多領(lǐng)域帶來逡逑革命性的改變，例如超大型數(shù)據(jù)中心、超高性能計算和新型探測技術(shù)［１－４］，如圖逡逑１．１所示。逡逑

圖１．３硅基光電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域丨１６｜逡逑事實上，２０世紀(jì)９０年代，利用高頻率低損耗的光纖來傳輸信號已經(jīng)革命性逡逑地改變了遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)世界。但是，由于種種原因，在短距離信號傳逡逑輸系統(tǒng)中，光信號還沒有取代電信號。現(xiàn)在，硅光集成的應(yīng)用主要集中在短距離逡逑的光互聯(lián)方面，例如：數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的互聯(lián)。除此之外，其它方面有可植逡逑入的醫(yī)療芯片和家庭與家庭之間的光纖互聯(lián)。而且，在中紅外及更長的波段可以逡逑用于探測、環(huán)境監(jiān)測和防御安全方面的應(yīng)用�？偠灾�，硅基光電子技術(shù)作為一逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2635909