SOI基光波导器件的模拟与实现

论文摘要

光纤通信的基础是光电子技术，其大量的光-电-光转换在一方面利用了成熟而廉价的集成电路技术，另一方面却也受到电子瓶颈的影响而限制了其通信容量的最大化。与微电子技术的发展一样，光电子技术或光子技术的发展目标仍然是集成，这类集成现在一般通称为光集成。光集成有两个方向，功能集成和个数集成，集成方式有光光集成和光电集成，而集成方法有单片集成和混合集成。硅材料无疑在集成光学里扮演了一个重要的角色，首先它的透明窗口恰好就在光通信频段；其次，其强大、廉价而成熟的微细加工工艺是光集成必不可少的；第三，硅的等离子体色散效应使其具有了实现调制器、光开关的可能性；第四，绝缘体上的硅（SOI）材料制备技术的成熟拓宽了硅材料在集成光学中的应用范围，使光子器件集成、光子晶体器件集成成为可能。 本论文工作主要集中在SOI基光器件和光电器件的设计和工艺方面。有限元方法是波导光学模式求解的重要方法之一，罚项方法能消除传统全矢量节点有限元解中始终存在的伪模，作者在该方法基础之上，对罚因子进行了改进，提出了新的罚项，并对该方法的理论背景进行了阐述。采用该方法提高了模式的求解效率，得到了更好的本征模场和本征值，但是伪模仍然存在。棱边有限元方法是目前解决伪模问题的最好方法，由于SOI波导很高的折射率差，必须采用全矢量方法才能准确的设计单模波导。本文在Matlab上实现了全矢量棱边有限元方法，边界层用完全匹配层做为吸收层，对SOI脊形波导的模式进行求解，并与有效折射率方法所得的结果进行了比较分析。同时采用该方法计算了SOI基硅线的模式特征与氧化物埋层厚度的关系，得到了低泄漏损耗必需的氧化物埋层厚度为1μm的结论。 采用标量节点有限元方法分析了平面TE模和TM模下的SOI光子晶体Y分支和三分支结构，计算了光在其中的传播模式，并获得了其在100 THz—300THz范围内的透射功率谱；计算了SOI微环谐振腔结构的响应谱，以及反射辅助型的微环谐振腔的响应函数，采用符号计算工具分析了其各端口的最优响应条件。 设计并实现了SOI基可调光衰减器。应用棱边元方法设计了其脊形波导的导波结构，电极特性的设计分别采用了载流子运动的扩散模型和漂移-扩散模型。并用有限元方法实现了这两种模型的数值求解，优化并获得了载流子在波导截面的分布。通过数值模拟优化电极距离、掺杂浓度等参数，设计并流片实现了衰减器芯片。用Protel设计了镍金材质的PCB测试板，并完成了经过CMP抛光后的衰减器芯片与PCB板的搭线封装。完成了VOA中p-i-n结的I—V特性测试，以及VOA的电流—衰减特性和功率—衰减特性测试。VOA的衰减特性比较明显，首次流片和无冷却的情况下，动态衰减范围达到了14dB。将p-i-n结的I—V特

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 波导光学的模拟与设计方法
• 1.1.1 有限元方法
• 1.1.2 时域有限元方法
• 1.1.3 有限差分方法
• 1.1.4 时域有限差分方法
• 1.1.5 束传播方法
• 1.2 光器件常用材料及工艺
• 3）材料'>1.2.1 铌酸锂（LiNbO₃）材料
• 1.2.2 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料
• 1.2.3 硅基二氧化硅材料
• 1.2.4 聚合物材料
• 1.2.5 绝缘体上的硅（Silicon-On-Insulator）材料
• 1.3 SOI基光器件
• 1.3.1 SOI基光通信器件
• 1.3.2 集成光学（光子学）
• 1.3.3 光子晶体结构
• 1.4 本论文的工作
• 第二章 光波导有限元模拟与设计
• 2.1 Maxwell方程组
• 2.1.1 物理边界条件
• 2.1.2 人工边界条件
• 2.2 电磁场有限元方法
• 2.2.1 变分方法
• 2.2.2 波导模式求解
• 2.2.3 节点有限元求解
• 2.2.4 矢量有限元（棱边元）求解
• 2.3 数值分析结果
• 2.3.1 罚项方法的结果
• 2.3.2 矢量元（棱边元）方法的结果
• 2.3.3 矢量元+完全匹配层的结果
• 2.4 有限元方法的应用
• 2.4.1 硅线的模拟
• 2.4.2 光子晶体的模拟
• 2.4.3 环形谐振腔结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 SOI基可调光衰减器
• 3.1 电光效应
• 3.1.1 直接电光效应
• 3.1.2 间接电光效应
• 3.1.3 Si的电光调制原理
• 3.2 SOI大截面脊形单模波导
• 3.2.1 有效折射率方法
• 3.2.2 有限元方法
• 3.3 衰减器p-i-n结的设计
• 3.3.1 p-i-n结扩散模型的建立
• 3.3.2 p-i-n结漂移-扩散模型的建立
• 3.4 制备及测试
• 3.4.1 SOI基电光可调式衰减器的工艺实现
• 3.4.2 VOA测试板（PCB）的实现
• 3.4.3 测试结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 SOI基定向耦合器
• 4.1 定向耦合器的原理
• 4.1.1 变分原理
• 4.1.2 耦合模理论
• 4.1.3 耦合系数的计算
• 4.2 定向耦合器的设计
• 4.2.1 常规对称脊形波导定向耦合器的设计
• 4.2.2 单脊形波导耦合器的设计
• 4.2.3 非对称双脊形波导耦合器设计
• 4.2.4 弯曲波导的耦合
• 4.3 弯曲波导的设计
• 4.3.1 非对称单模脊形波导
• 4.3.2 弯曲波导于保角变换
• 4.3.3 非对称脊形弯曲波导
• 4.4 定向耦合器的制作及测试
• 4.4.1 版图设计
• 4.4.2 工艺描述
• 4.4.3 测试与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 SOI基星型耦合器
• 5.1 星型耦合器的原理
• 5.2 星型耦合器的设计
• 5.2.1 输入／输出波导
• 5.2.2 自由传播区（耦合区）
• 5.3 实验及测试
• 5.3.1 版图设计
• 5.3.2 测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢
• 个人简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明