本文關(guān)鍵詞：基于硅基SU-8光波導(dǎo)的微環(huán)諧振器及光電探測器研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著光通信技術(shù)和光學(xué)傳感技術(shù)的快速發(fā)展,集成光子器件因為其獨特的優(yōu)勢如：高集成度、小型化等引起了廣泛的關(guān)注。在鈮酸鋰、SiO2、Si、InP、SiN、聚合物等各類集成光學(xué)材料中,聚合物材料因為其低成本,低損耗,工藝簡單等方面有著巨大的優(yōu)勢。除此之外,聚合物材料還具有很高的熱光系數(shù),這對于低功耗的熱光開關(guān),熱光非線性效應(yīng)很有利。本文基于SU-8聚合物材料,在通信波段設(shè)計并制作了兩種新型的高Q的微環(huán)器件,并對其中一種高Q值的微環(huán)基于SU-8高熱光系數(shù)探究了非線性效應(yīng)。另外,針對SU-8聚合物材料在可見光波段具有更低的光學(xué)損耗以及硅材料在可見光波段的吸收特性,設(shè)計并制作了聚合物懸掛型波導(dǎo)硅探測器,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了片上集成傳感器。本文回顧了平面光波導(dǎo)的基本理論,介紹了幾種常用的數(shù)值計算方法。首先介紹了波動方程理論,利用波動方程對平板波導(dǎo)的進行了解析解和對條形波導(dǎo)的做了近似解。對于波導(dǎo)器件的精確求解,數(shù)值計算提供很好的思路,之后介紹了幾種常用的數(shù)值計算方法,包括光束傳輸法,有限差分法和時域有限差分法等。提出并實現(xiàn)了一種新型的微環(huán)諧振器(MRR),該器件的耦合區(qū)是基于2×2角度型的多模干涉耦合儀(MMI),角度型MMI克服了傳統(tǒng)的MMI固定的分光特性,可以通過改變MMI的彎曲角度,得到連續(xù)可變的耦合系數(shù)。在文中,設(shè)計實現(xiàn)了一系列不同Q值的MRR,當(dāng)彎曲角度為3.25。時,微環(huán)的Q值最大,為25000。除此之外,角度型MMI制作容差大,工藝方便,而定向耦合器(DC)想要達到同等的耦合比,兩波導(dǎo)的間隙要足夠的窄(1μm),這樣就需要高精度的工藝設(shè)備,成本很高。最后文中將實驗結(jié)果與理論結(jié)果進行了對比,兩者吻合的很好。脊形波導(dǎo)由于有平板層的存在具有很小的損耗,基于這種波導(dǎo),設(shè)計了一種跑道型微環(huán)器件,該器件的耦合區(qū)為DC,因為有了平板層的存在,耦合較容易發(fā)生,普通的接觸式光刻就能達到工藝要求。實驗中脊形波導(dǎo)的制作采用了兩次勻膠,兩次曝光的新的工藝方案,不需要傳統(tǒng)的制作脊形波導(dǎo)過程中的刻蝕工藝,從而避免了由于刻蝕帶來的表面粗糙,降低了散射損耗。實驗得到了一系列不同耦合系數(shù)的MRR,Q值最高能達到34700。之后對其中一種耦合長度的MRR進行了熱光非線性的研究,通過輸入不同功率的光,觀察到了由于較大的熱光系數(shù),諧振峰發(fā)生了漂移,在此基礎(chǔ)上,觀察到了顯著的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng),并將理論模型與實驗結(jié)果對比,吻合的很好。利用SU-8聚合物在可見光波段更低的吸收,以及硅半導(dǎo)體材料在可見光波段的吸收特性,設(shè)計制作了懸掛波導(dǎo)型光電探測器,經(jīng)過一系列設(shè)計上和實驗上的改進,將電極長度從710 μ m減小到150μ m,暗電流由4.39uA@5V減小到200nA@2.45V,而光響應(yīng)度由0.232A/W增大到0.326A/W,之后在此基礎(chǔ)上完成了片上集成傳感器的制作,測試了空氣中和酒精中強度,觀察到光電流發(fā)生了顯著的變化。
【關(guān)鍵詞】：聚合物器件 微環(huán)諧振器 角度型MMI 脊形波導(dǎo) 跑道型徼環(huán) 非線性效應(yīng) 雙穩(wěn)態(tài) 懸掛波導(dǎo)型光電探測器 金屬-半導(dǎo)體-金屬光電探測器 集成傳感器
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN252
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1. 緒論12-24
• 1.1 集成光子器件的發(fā)展現(xiàn)狀12-16
• 1.2 聚合物波導(dǎo)的發(fā)展16-17
• 1.3 聚合物傳感器以及與集成傳感器的發(fā)展17-20
• 1.4 本論文的主要內(nèi)容20-21
• 1.5 本論文的創(chuàng)新點21-24
• 2 光波導(dǎo)基本理論及數(shù)值方法24-42
• 2.1 光波導(dǎo)的基本概述24-25
• 2.2 波動方程25-27
• 2.3 平板波導(dǎo)27-30
• 2.4 條形波導(dǎo)30-33
• 2.5 光波導(dǎo)的數(shù)值計算方法33-40
• 2.6 邊界條件40-42
• 3 基于角度型MMI的微環(huán)器件42-62
• 3.1 微環(huán)的基本結(jié)構(gòu)42
• 3.2 微環(huán)的基本參量42-44
• 3.3 傳輸矩陣法對單個微環(huán)的分析44-48
• 3.4 基于角度型MMI的微環(huán)諧振器件的設(shè)計48-53
• 3.5 MRR器件的制作53-56
• 3.6 MRR器件的測試與分析56-60
• 3.7 本章總結(jié)60-62
• 4 跑道型MRR及其熱光非線性效應(yīng)62-78
• 4.1 基于脊形波導(dǎo)的跑道型MRR的設(shè)計62-65
• 4.2 制作過程65-66
• 4.3 測試結(jié)果66-70
• 4.4 非線性的探究70-75
• 4.5 本章總結(jié)75-78
• 5 懸掛型波導(dǎo)探測器以及集成傳感器78-106
• 5.1 背景陳述78
• 5.2 懸掛波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和設(shè)計78-81
• 5.3 波導(dǎo)型MSM光電探測器的原理以及電極設(shè)計81-88
• 5.4 波導(dǎo)型MSM光電探測器的制作過程以及注意點88-92
• 5.5 波導(dǎo)型MSM光電探測器的性能92-96
• 5.6 懸掛波導(dǎo)型光電探測器的改進96-104
• 5.7 本章總結(jié)104-106
• 6 總結(jié)與展望106-108
• 參考文獻108-120
• 作者簡介120
• 研究成果120

【共引文獻】

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本文編號：389345