文档介绍：长春理工大学
硕士学位论文
亚微米硅基光波导的设计与模式特性研究
姓名:李岩
申请学位级别:硕士
专业:光学工程
指导教师:孙德贵;王春霞
20100601
摘要光通信、光计算和光学牛物传感技术的发展促进了对光学芯片技术的需求,也使硅基光了学是当今世界上一个热门的前沿学科,依靠硅光了学的技术支持,光子器件与电子器件可集成到同一硅片上,从而具有异乎寻常的信息收发和处王单芰Α硅在绝缘体上..篠墙昀雌毡榻邮芮冶曜蓟募晒獠ǖ技术平台,是未来硅摹光了学器件发展方向。通过进一步的优化设计、改善工艺、减小波导尺寸,基于墓獠ǖ计骷图赡?樵诠馔ㄐ拧⒐獯ǜ泻凸庑畔⒋碇正在发挥着丰导性的作用,将会成为在全光网和光计算机中的核心器件和部件。光波导的小型化研究对于减小光波导分立器件的体积和提高其集成度至关重要,纳米级波导的光传输特性对其横截面的几何尺寸非常敏感。本论文首先讨论和分析了高、宽都小于膕脊形光波导的单模条件、偏振无关条件,然后研究并模拟了注入载流子对硅波导中的光学折射率和光学吸收系数的影响及外界电场对波导内载流予分布的影响,进而根据分析与模拟结果优化设计了獠ǖ冀峁梗后根据优化结果加工了实验样品并获得了与理论预言相一致的实验结果。我们的研究表明,硅在绝缘体上俏⒚准剐尾ǖ嫉哪J教匦杂爰剐挝⒚级光波导是十分不同的。传统的有效折射率法等数值计算方法有其局限性,这里我们采用了快速准确的二维束传播,算法,得到亚微米脊形光波导满足单模和偏振无关条件的重叠截面尺寸参数。尤其我们发现,当波导高度为ツL跫高度的波导开始有显著不同。因此,以上这些研究结论为构筑基于亚微米尺寸波导的光电子器件结构设计提供一定理论支持。关键词:集成光子线路;脊形光波导;绝缘体上硅;载流子
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第一章绪论研究背景与目的世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到一个崭新的时代——信息化时代。在这个时代人们对信息的需求急剧增加,传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量处不在,电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车,处处都离不开硅材料,硅作为科技应用材料作为微电子领域的传统材料,在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优微米技术中具有明显的优势和潜力。然而,当挥τ玫焦獾缙骷约肮庾悠骷级陨就会引起比较明显的折射率变化。的要求,建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代信息技术发展的必然趋势。而建设高速大容量的宽带网络,原有的电学器件已经满足不了我们的要求,这就要求我们发现新的材料与工具。许多传统的宀牧系牡绻獾髦破骼弥苯拥绻庑вκ迪至高速电光调制,是器件制作成本高,而且与微电子工艺不兼容。因此,人们对大容量、宽带宽,低成本信息传输系统的渴望导致了硅基光电子学的诞牛。在日常生活里,硅可以说无普及材料之一,已经渗透到人们生活中各个角落。随着硅基光学和光电子学的发展,硅基光波导器件和光电子器件受到了广泛重视。硅势。绝缘衬底上的硅材料琒畛跏俏A寺阄⒌缱友Ъ际的发展而出现的。当时主要用于制作器件以减骷男〕叽缧вΓ谏钛域时,它所具有的先天优势使得这一研究方向备受关注,并且得到了极为迅速的发展。材料用于导波器件时,其优越性主要体现在其良好的波导特性、与传统微电了工艺的高度兼容性、成熟的制备工艺、低廉的成本、在光通信长波长窗口的低吸收损耗特性等。近年来的研究表明,当波导中载流予浓度发生变化时灰Eǘ缺浠锏揭欢ǖ氖就骷裕咚俚墓獾髦破饕话愣际峭ü齋牡壤胱由⑿в词迪帧8菡一效应,的折射率随材料中自由载流子浓度的增大而减低,同时就可以通过驱动电路来实现对波导中光场的相位调制,进而通过器件的光学结构实现开关/调制动作。等离子色散效应与电光效应的不同之处在于,后者利用的是材料折射牢在电场下的变化,而前者利用的是材料折射率随自由载流子浓度的变化。近年来绻饪9兀髦破鞯难芯咳〉昧肆钊酥跄康慕梗ü捎酶髦指餮牡学调制结构利光学结构,例如光栅结构以及微环结构,绻饪9兀髦破鞯南煊κ奔达到了纳秒量级。现在的波导不只在调制速率上有了很大的进步,器件也正在不断地向小型化、实用化方向发展,国际上已经出现了尺寸在考兜墓柘吖獠ǖ计骷
谕庋芯肯肿础⒎⒄骨魇传输损耗增大,偏振相关性增强,与光纤之间耦合效率下降等难题。因此在设计新的高速通过目前世界技术水平和我国的研究状况对比,可以明显看出,——信息化时代。在在电子通信技术遇到上述的发展瓶颈的时候,一些新兴的通信技术就应运而生了,在上。有评论称这是硅基光电子学的里程碑。它标志着一个崭新的硅光子学时代的来临。随然而光波导的尺寸缩小后,单模传输条件将发牛改变,需要重新确定,而且也会带来硅基电光调制器的过程中,