【摘要】：硅基納米光波導(dǎo)是在亞波長尺度實現(xiàn)光信息傳輸、耦合、與物質(zhì)相互作用的低損耗導(dǎo)波結(jié)構(gòu),可構(gòu)成光源、功能敏感單元,是光電集成傳感和光信息芯片的基礎(chǔ),且絕緣體上硅(SOI)一系列重大的研究突破使得硅基材料被認為是構(gòu)建集成光子器件的理想平臺。然而這種全光互連的器件如果要應(yīng)用到大眾消費市場必須基于低成本的技術(shù)。所以具有高集成度的硅基光子技術(shù)微納米光學(xué)器件掀起了全球的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究熱潮。本文圍繞硅光子器件中的關(guān)鍵組成—硅基波導(dǎo)諧振器的相關(guān)特性及其應(yīng)用進行分析研究。該諧振器主要由納米波導(dǎo)光柵、傳輸光波導(dǎo)、高品質(zhì)因子(Q)環(huán)形微腔在同一平面制備集成。對于性能優(yōu)良高集成的硅波導(dǎo)諧振器,其主要影響因素有:高效的光導(dǎo)入(耦合),傳輸波導(dǎo)的低損耗以及高Q諧振腔等多方面的挑戰(zhàn)。本文基于納米光波導(dǎo)單模(TE模)傳輸條件下,如何抑制波導(dǎo)傳輸損耗,提高納米光柵垂直耦合效率,保持諧振腔高Q值進行理論分析,其次對波導(dǎo)諧振器的溫度特性,光學(xué)線性特性進行測試分析,對光學(xué)非線性特性及全光學(xué)開關(guān)等相關(guān)應(yīng)用進行了實驗研究。相關(guān)研究內(nèi)容可歸結(jié)為以下幾個方面:1、利用FDTD和RSOFT軟件對納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元中的納米光柵、條形波導(dǎo)、光波導(dǎo)微腔進行了光學(xué)傳輸特性分析。首先對傳輸光波導(dǎo)的單模傳輸特性進行數(shù)值分析,對光波導(dǎo)傳輸損耗進行分析優(yōu)化;其次,基于光學(xué)單模傳輸,給出光柵耦合效率的計算方法,對光柵耦合效率影響的主要參數(shù)光柵深度、周期與占空比等進行優(yōu)化分析,最終確定周期為590nm、占空比為50%的納米光柵結(jié)構(gòu),傳輸納米光波導(dǎo)寬度為450nm,厚度為220nm。在理論分析微環(huán)諧振腔主要性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,重點分析了納米光波導(dǎo)微腔與傳輸波導(dǎo)耦合系數(shù)、傳輸損耗的影響機制,并對相關(guān)參數(shù)進行數(shù)值仿真分析。最后利用L-Edit軟件對微腔諧振器集成單元進行了優(yōu)化設(shè)計。2、通過微納跨尺度工藝模式,結(jié)合電子束曝光與深硅刻蝕技術(shù),通過采用Bosch工藝循環(huán)干法刻蝕方法,提高傳輸波導(dǎo)側(cè)壁陡直度,降低了傳輸波導(dǎo)損耗,克服了微納一體化制備中的鄰近效應(yīng)、遲滯效應(yīng)、微掩膜效應(yīng)等工藝技術(shù)難點,制備了硅基集成納米光柵、傳輸光波導(dǎo)、諧振單元一系列不同結(jié)構(gòu)的微腔諧振器結(jié)構(gòu)。3、基于高Q單環(huán)微腔,首先對微腔的線性特性進行了測試分析,得到了傳輸損耗為0.532dB/cm和品質(zhì)因子為105高Q值微腔,同時對微腔的溫度特性進行了測試,諧振波長的線性度為54.1pm/℃。其次研究了硅基微環(huán)諧振腔的光信號調(diào)控技術(shù),利用單微腔結(jié)構(gòu),通過單光束功率調(diào)控注入方式分析了微腔的光學(xué)熱非線性特性,得到諧振峰紅移閾值0.34nm。在理論分析光學(xué)開關(guān)的基礎(chǔ)上,研究了基于熱非線性效應(yīng)的雙光束調(diào)控注入模式的微環(huán)諧振腔全光開關(guān)的方案,通過調(diào)控優(yōu)化對應(yīng)波長的光功率實現(xiàn)了消光比為15dB和開關(guān)時間為微秒量級的全光學(xué)開關(guān);其次分析了單微環(huán)諧振腔的光延時特性,通過調(diào)控兩個相鄰諧振波長的光功率,發(fā)現(xiàn)探測光功率的大小與光延時量成正比關(guān)系,通過相互調(diào)控最終獲得了15.4ps和8.5ps的最大延時量。
[Abstract]:The silicon-based nano-optical waveguide is a low-loss guided wave structure capable of realizing optical information transmission, coupling and interaction with a substance in a sub-wavelength scale, and a series of major research breakthroughs on silicon-on-insulator (soi) have enabled the silicon-based material to be considered an ideal platform for building an integrated photonic device. such a full-light interconnection device, however, must be based on low-cost technology if it is to be applied to the mass consumer market. So the micro-nano-optical device with high integration of silicon-based photonic technology has raised the research upsurge of academic and industry in the world. In this paper, the related properties of silicon-based waveguide resonators and their applications are analyzed and studied. The resonator is mainly composed of a nano-waveguide grating, a transmission optical waveguide and a high-quality factor (Q) annular micro-cavity to be integrated in the same plane. The main influencing factors of the high-performance and high-integrated silicon waveguide resonator are: high-efficiency light introduction (coupling), low loss of the transmission waveguide, and high-Q resonant cavity. In this paper, based on the single mode (TE mode) transmission of the nano-optical waveguide, how to suppress the transmission loss of the waveguide, to improve the vertical coupling efficiency of the nano-grating, to maintain the high Q value of the resonant cavity for theoretical analysis, and then to test and analyze the temperature characteristic and the optical linear characteristic of the waveguide resonator, The optical non-linear characteristic and all-optical switch and other related applications have been experimentally studied. The content of the relevant research can be reduced to the following aspects: 1. The optical transmission characteristics of the nano-grating, the strip-shaped waveguide and the optical waveguide micro-cavity in the structural unit of the nano-optical waveguide are analyzed by using the FDTD and RSOFT software. firstly, carrying out numerical analysis on the single-mode transmission characteristic of the transmission optical waveguide, and analyzing and optimizing the transmission loss of the optical waveguide; secondly, based on the optical single-mode transmission, the calculation method of the grating coupling efficiency is given, the main parameter grating depth influenced by the grating coupling efficiency is obtained, and the period and the duty ratio are optimized and analyzed, the nano-grating structure with the period of 590nm and the duty ratio of 50 percent is finally determined, the width of the transmission nano-optical waveguide is 450nm, and the thickness is 220nm. On the basis of the theoretical analysis of the main performance parameters of the micro-ring resonator, the influence mechanism of the coupling coefficient and transmission loss of the micro-cavity of the nano-optical waveguide and the transmission waveguide is analyzed, and the relevant parameters are simulated and analyzed. and finally, the micro-cavity resonator integrated unit is optimized and designed by the L-Edit software. the loss of the transmission waveguide is reduced, the technical difficulties of the adjacent effect, the hysteresis effect, the micro-mask effect and the like in the micro-nano integral preparation are overcome, the silicon-based integrated nano-grating, a transmission optical waveguide and a series of micro-cavity resonator structures with different structures are prepared, Based on the high-Q single-ring micro-cavity, the linear characteristic of the micro-cavity is firstly tested and analyzed, the micro-cavity with a transmission loss of 0.532dB/ cm and a quality factor of 105 is obtained, and the temperature characteristic of the micro-cavity is tested, and the linearity of the resonance wavelength is 54. 1pm/ DEG C. Secondly, the optical signal control technology of the silicon-based micro-ring resonator was studied, and the optical thermal nonlinear characteristics of the micro-cavity were analyzed by single-beam power control and injection, and the red-shift threshold of the resonance peak was 0.34nm. Based on the theoretical analysis of the optical switch, the scheme of the full-optical switch of the micro-ring resonator based on the thermal non-linear effect is studied, and the full optical switch with the extinction ratio of 15dB and the switching time of the order of microsecond is realized by controlling the optical power of the corresponding wavelength. Secondly, the optical delay characteristics of the single micro-ring resonator are analyzed. By controlling the optical power of two adjacent resonant wavelengths, it is found that the magnitude of the detected optical power is in direct proportion to the amount of light delay, and the maximum delay amount of 15. 4ps and 8. 5ps is finally obtained by mutual control.
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN252

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本文編號：2329737