论文摘要
21世纪的第一个十年里,人们对大容量、高速互联网的需求极大地推动了光通信技术——特别是全光通信的发展,而作为FTTH （Fiber To The Home）中重要节点的WDM（Wavelength Division Multiplexer）、OADM （Optical Add/Drop Multiplexer）、OXC（Optical-path Cross-connect）等器件自然成为研究的热点。这极大的带动了集成光学器件的研究。目前应用于光通信中的集成光学器件所用光源的波长主要在近红外波段内,以1.55μm为主；但随着研究的深入,集成光学器件的应用也逐渐拓展到了光通信以外的范围,特别是在传感、检测、军事等方面。波长更长的中长波红外光（3-100μm）以其在上述领域中的独特优势,促使研究人员将集成光学的研究推动到这一波段。以硅材料作为衬底的集成光电子器件是目前国际上集成光学领域研究的主流热点。受限于硅本身的特性,在很长时期内没有受到研究人员的重视,不过在随后的中研究发现,可以利用硅材料具有的等离子色散效应通过改变载流子浓度调节折射率和吸收损耗实现电光调制。另一方面,由于硅基光电子器件和CMOS在工艺上的兼容性,可以借鉴半导体产业的Fabless模式生产低成本、高性能、商品化的硅基光电子器件。所以近年来基于硅的光开关、光调制器已经开始投入光通信的商业应用,并且不断有新的结构、更低损耗的器件报道出来。基于上述思想,本论文的目的在于：以硅片或者SOI片为平台,制备出适用于中长波红外波段的光波导器件。本文具有创新性意义的工作主要集中在以下几个方面：1.利用等比例放大原理,分析了中长波红外情况下slot波导器件的设计思路。Slot波导以其独特的结构优势,在研究人员设计传感器时被广泛采用。利用等比例放大原理,可以由近红外波段情况下slot波导尺寸推导到在波长更长的中长波红外情况下slot波导的尺寸,并且在这一波段内slot波导具有更大的狭缝宽度,降低了制备器件的工艺要求。2.搭建了波长为10.6μm的长波红外光波导测试系统。在实验室现有条件的基础上,搭建了波长为10.6μm的硅基光波导器件测试系统。该系统由二氧化碳激光器、斩波器、衰减片、聚焦透镜、载物台、探测器以及锁相放大器等设备组成,实现了对中长波红外波段（10.6μm）光波导传输特性的测试。3.设计了两种长波红外情况下的光波导结构,并摸索出实验工艺。先从理论分析了长波红外情况下单模条件和衬底泄漏的情况,再利用BPM算法、FE算法及FD算法等模拟大截面的硅基光波导结构和在衬底开空气槽的undercut型波导结构的传输情况。最后结合实验室现有工艺条件,确定制备这两种波导的工艺流程验证理论设计。经过初步测试,这两种波导的传输损耗分别为13dB/cm@10.6μm、10dB/cm@10.6μm。