本文關鍵詞：硅基微環(huán)諧振腔的設計與制作

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【摘要】：SOI(Silicon on Insulator)微環(huán)諧振腔具有結構緊湊,與COMS工藝兼容,適合于大規(guī)模單片集成等一系列優(yōu)勢,因此其功能強大,是集成光學中非常關鍵的元器件之一。它在光濾波器、光延時線、光緩存、光開關、光調(diào)制器、波長轉換器、傳感器、光邏輯門、激光器等領域都有著重要的研究和應用價值。本文結合國內(nèi)外的微環(huán)諧振腔研究現(xiàn)狀,基于理論分析,將仿真模擬與實驗驗證相結合,研究設計并加工測試了SOl微環(huán)諧振腔結構。本文的主要工作如下：(1)從SOl光波導器件出發(fā),研究光在波導中傳輸?shù)哪Ｊ教匦院蛽p耗特性等。通過改變波導的結構參數(shù),仿真分析和比較了光場模式特性的變化規(guī)律,并討論其對傳輸特性的影響。在此基礎上優(yōu)化參數(shù),從而對微環(huán)的結構設計給出合理的建議。介紹了兩種基本直波導-環(huán)形諧振腔的傳輸模型,同時利用耦合模理論對波導和環(huán)形腔間的各個耦合參數(shù)和傳輸情況進行了詳細的公式推導。(2)基于全通型微環(huán)結構,利用FDTD (Finite Difference Time Domain)法對微環(huán)諧振腔結構中微環(huán)波導寬度與其傳輸性能、品質(zhì)因子(Quality Factor)的影響關系進行了理論分析與仿真。研究結果表明,微環(huán)寬度過小會大大增加微環(huán)的輻射損耗,當波導寬度越大時,輻射損耗會越小,Q值也越高。但波導寬度過寬時,將出現(xiàn)多模情況。因此,滿足單模條件下微環(huán)波導的寬度應盡量大,這樣能夠減小微環(huán)的輻射損耗,提高Q值。仿真優(yōu)化結果表明微環(huán)半徑10um,微環(huán)波導寬度為600nm時,1.55umm波長附近的諧振峰的消光比為18.2dB,計算Q值約2.2×105,此時的器件性能最為理想,可以實現(xiàn)單模工作和高Q值。進一步研究了耦合間距、平板高度對Q值的影響。微環(huán)與直波導間距的改變影響耦合效率,當間距逐漸增大時,由于耦合效率降低,Q值則逐漸提高;同時,隨著平板區(qū)厚度的減小,輻射損耗會越小,因此Q值越高。研究結果為微環(huán)諧振腔的優(yōu)化和設計提供了參考。(3)結合仿真模擬分析的結果,設計了波導尺寸、微環(huán)半徑、耦合間距以及垂直耦合光柵等微環(huán)諧振腔版圖結構參數(shù)。利用L-Edit版圖設計軟件繪制了微環(huán)諧振腔結構,進行了SOl硅片的工藝制作,并對制作過程中各種工藝參數(shù)對波導參數(shù)的影響進行了探討和分析。詳細介紹了微環(huán)諧振腔測試系統(tǒng)及其操作步驟,并對測試結果進行了總結和分析。最終完成了硅基微環(huán)諧振腔的研制工作。
【關鍵詞】：微環(huán)諧振腔 絕緣襯底上的硅 時域有限差分法 品質(zhì)因子 結構設計
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN256
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-17
• 1.1 研究背景和意義11-16
• 1.1.1 硅基微環(huán)諧振腔的研究進展12-15
• 1.1.2 硅基微環(huán)諧振腔的研究意義15-16
• 1.2 本文的主要內(nèi)容16-17
• 2 SOI微環(huán)諧振腔17-30
• 2.1 SOI光波導器件17-20
• 2.1.1 SOI光波導的模式特性17-19
• 2.1.2 SOI光波導的損耗特性19-20
• 2.2 微環(huán)諧振腔的基本特性和理論分析20-29
• 2.2.1 微環(huán)諧振腔的基本結構23-27
• 2.2.2 微環(huán)諧振腔的主要性能參數(shù)27-29
• 2.3 本章小結29-30
• 3 SOI高Q微環(huán)諧振腔的設計30-40
• 3.1 仿真設置30-33
• 3.1.1 時域有限差分法(FDTD)介紹30-31
• 3.1.2 仿真軟件的設計流程31-32
• 3.1.3 仿真軟件中Q值的計算原理32-33
• 3.2 仿真模擬33-39
• 3.2.1 結構設計34-35
• 3.2.2 波導寬度和損耗的關系35-36
• 3.2.3 微環(huán)波導寬度和Q值的關系36-38
• 3.2.4 耦合間距、平板高度對Q值的影響38-39
• 3.3 本章小結39-40
• 4 SOI微環(huán)諧振腔的制作與實驗40-51
• 4.1 微環(huán)諧振腔的制作40-44
• 4.1.1 版圖的設計40-41
• 4.1.2 關鍵工藝介紹41-44
• 4.2 微環(huán)諧振腔的測試44-50
• 4.2.1 測試系統(tǒng)45-46
• 4.2.2 測試結果及分析比較46-50
• 4.3 本章小結50-51
• 5 結論51-52
• 參考文獻52-56
• 作者簡歷及攻讀碩士學位期間取得的研究成果56-58
• 學位論文數(shù)據(jù)集58

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本文編號：1039765