基于平面光波导的耦合/干涉型集成器件的研究

论文摘要

建立在平面光波导技术之上的光器件,具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点。目前,平面光波导集成光学元件已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。本文以基于平面光波导技术的耦合/干涉型光器件作为研究对象,在平面光波导的基本理论及设计方法的基础上,提出并设计了一些新型的器件结构,利用平面光波导工艺制作了一些器件并测试了其性能。首先对平面光波导及其器件的模拟设计方法进行了研究。分析了用于求解光波导模场的解析方法,对传统等效折射率方法进行了改进,从波动方程出发,通过严格的数学推导,得到了一维等效折射率分布的表达式,这种方法具有比传统等效折射率方法更高的精度,而且不受波导截止条件的限制,并适用于任意的折射率分布结构。对平面光波导器件设计中常用的数值方法包括有限差分法,束传播法,时域有限差分等进行了总结,给出了各种方法的基本原理,具体的求解步骤等,利用这些数值方法可以得到光波导的模场分布,光波在器件中的传播特性,器件的频谱特性等等。然后分析了多模干涉耦合器垂直方向多模对器件的性能的影响,通过对输入输出波导进行taper设计,可以减小垂直方向多模的激发,使得功分器的通道均匀性,损耗等性能都得到改善。提出了深刻蚀SiO2光波导结构,使得SiO2波导在小的弯曲半径下也能有比较小的弯曲损耗,分析了基于这种深刻蚀SiO2波导的多模干涉耦合功分器,与基于传统SiO2波导的多模干涉耦合功分器相比不仅具有较小的尺寸,同时性能也有很大的提高。我们还提出了几种新的基于平面光波导的器件的实现方法。通过调整三明治波导中间层SixNy的折射率以及多模波导的尺寸,成功实现了偏振不敏感的1310/1550nm波分（解）复用器。通过在多模干涉耦合器的多模区引入光子晶体结构,利用光子晶体的偏振敏感特性（即在某个波段,对一个偏振反射,而对另外一个偏振则透射）,实现了带宽很宽,尺寸超小的偏振分束器。利用光子晶体波导方向耦合器的解耦合特性,通过方向耦合器的级联,设计了单纤三向器件,模拟结果显示,这种单纤三向器件具有尺寸小,带宽较大的特点。我们还总结了平面光波导器件的制作工艺流程,包括光刻技术（电子束曝光）,反应离子刻蚀（RIE）,电感耦合型等离子刻蚀（ICP）等。通过优化气体配比,反应功率等条件,得到了一组能提供小的表面粗糙度,高的垂直度的ICP工艺配方,同时还研究了ICP刻蚀中的迟滞效应,并利用这种效应制作了尺寸超小的方向耦合器。制作了光子晶体W3波导,光子晶体波导腔,利用End-Fire方法对其特性进行了测试,分析和讨论。最后还研究了干法刻蚀工艺中引入的损伤对光子晶体有源区的载流子寿命的影响,为制作光子晶体光开关,激光器奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 基于平面光波导技术的集成器件的现状及前景
• 1.2 本论文的主要内容及创新点
• 参考文献
• 第二章 平面光波导基本理论及相关数值模拟方法
• 2.1 平面光波导理论基础
• 2.1.1 平面光波导概述
• 2.1.2 平板波导
• 2.1.3 条形波导
• 2.1.4 几种新型波导结构
• 2.2 等效折射率方法
• 2.2.1 传统等效折射率方法
• 2.2.2 改进的等效折射率方法
• 2.3 平面光波导数值模拟方法
• 2.3.1 有限差分方法
• 2.3.2 有限差分束传播法
• 2.3.3 时域有限差分
• 参考文献
• 第三章 平面波导多模干涉耦合器及应用
• 3.1 平面波导多模干涉耦合器
• 3.1.1 多模干涉耦合器概述
• 3.1.2 多模干涉耦合器的工作原理及分析方法
• 3.2 平面波导多模干涉耦合器的垂直多模效应
• 3.2.1 垂直多模效应
• 3.2.2 垂直方向多模效应对多模干涉分束器的性能影响
• 3.2.3 多模干涉分束器的优化设计
• 3.3 基于深刻蚀二氧化硅的多模干涉耦合器
• 3.3.1 深刻蚀二氧化硅波导
• 3.3.2 基于深刻蚀二氧化硅的多模干涉耦合器的特性
• 3.4 基于MMI的偏振不敏感波分（解）复用器
• 3.4.1 波分（解）复用器概述
• 3.4.2 基于MMI的偏振不敏感波分（解）复用器
• 3.5 基于非对称型马赫曾德干涉仪的传感器
• 3.5.1 传感器技术概述
• 3.5.2 基于非对称型马赫曾德干涉仪的传感器
• 参考文献
• 第四章 基于光子晶体的新型集成器件
• 4.1 光子晶体概述
• 4.1.1 光子晶体的概念
• 4.1.2 光子晶体的应用
• 4.1.3 二维光子晶体
• 4.2 基于光子晶体辅助型的MMI偏振分束器
• 4.2.1 偏振分束器概述
• 4.2.2 光子晶体辅助型的MMI偏振分束器的设计
• 4.2.3 光子晶体辅助型的MMI偏振分束器的特性
• 4.3 基于光子晶体波导耦合器的三波长分路器
• 4.3.1 三波长分路器概述
• 4.3.2 光子晶体波导方向耦合器
• 4.3.3 基于光子晶体波导方向耦合器的三波长分路器的设计
• 参考文献
• 第五章 平面光波导器件的制作工艺及器件特性测试
• 5.1 平面光波导器件制作工艺流程
• 5.2 光刻工艺
• 5.2.1 光刻工艺概述
• 5.2.2 电子束曝光
• 5.3 刻蚀工艺
• 5.3.1 反应离子刻蚀
• 5.3.2 感应耦合型反应离子刻蚀
• 5.3.3 化学辅助型离子束刻蚀
• 5.4 光波导器件的测试
• 5.5 部分器件制作/测试结果与讨论
• 5.5.1 ICP干法刻蚀的刻蚀迟滞效应
• 5.5.2 光子晶体波导FP腔
• 5.5.3 干法刻蚀光子晶体中载流子寿命的研究
• 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 工作展望
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢