论文摘要
硅光子器件因为具备与成熟的CMOS制造工艺相兼容的巨大优势,而被认为是目前实现高性能、低成本和高集成度的片上光互联和片上实验室最可行的方案。本论文主要主要针对光传感以及光互联上的应用,研究了硅纳米线光波导、硅基混合型等离子体光波导及其器件的设计、制备及测试等。首先研究了三种用于提高集成光传感器性能的新型的基于硅纳米线光波导的谐振微腔结构。（1）第一次实验证明了马赫-曾德反馈式微环谐振腔传感器具有高灵敏度（～110nm/RIU）,高消光比（-16-36dB）和大动态范围。该传感器具有大于120nm的准自由光谱范围,从而使得它可以探测折射率在1～1.538范围内变化的外界物质；（2）在实验上初步尝试证明了利用级联双环谐振腔可显著提高传感器灵敏度。其灵敏度比一般的微环谐振式传感器要高出两个数量级（～104 nm/RIU）。并将其与阵列波导光栅相结合,以实现集成型的光谱分析仪和片上传感系统；（3）研制了基于布拉格光栅反射镜的法布里-波罗谐振微腔传感器,显著提高了传感器的动态范围。通过采用全刻蚀布拉格光栅,并优化设计布拉格光栅结构参数,得到了高反射率和宽反射带宽的反射镜。实验表明该法布里-波罗谐振微腔的自由光谱范围约为21nm,Q值约为2600,消光比约为13dB。其次,对硅基混合型等离子体光波导及其基本元器件进行了研究。硅基混合型等离子体光波导是一种新型的波导结构,它在保持将光能量强限制在深亚波长尺寸的同时还有效提高了传输距离。例如,该波导可以将光能量强限制在100nm×10nm的结构内,并且保持约70um的传播长度。另外,硅基混合型等离子体光波导还具有和CMOS工艺相兼容,以及和硅纳米线光波导混合集成的优点。利用有限元法和时域有限差分法,本文详细研究了硅基混合型表面等离子体光波导的基本结构单元,包括弯曲损耗,方向耦合器,多模干涉器和Y分支结构。研究表明,其最小弯曲半径可达800nm,从而表明该波导非常适合高密度光集成。经过优化设计的方向耦合器,多模干涉器和Y分支结构的面积均在亚平方微米量级。同时,多模干涉器和Y分支结构还具有非常大的制造容差（±50nm）和工作带宽（～500nm）。特别的,Y分支因为具备结构超级紧凑、性能优越等优势,从而可以很好的实现1×N的级联结构。因此,硅基混合型表面等离子体光波导及其器件为片上光互联提供了一个非常好的集成平台。