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基于光栅的硅基光子器件研究

【摘要】:随着摩尔定律的不断减慢,“More than Moore”的概念开始逐渐受到工业界和学术界的关注。硅基光子学作为“More than Moore”概念的重要候选方案,不仅可以提升现有多核心多处理器系统的计算能力,还可以拓展半导体器件功能的应用范围。光栅作为一种在传统光学中被广泛采用的光学结构,在硅基光子学中依然扮演着重要角色。因其易于制造和与 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)工艺相兼容的特点,光栅被应用于多种硅基光子器件中,如混合集成激光器,耦合器,反射器和生物传感器等。多样的实现方式和灵活的可设计性使得光栅结构在硅基光子器件的小型化,集成化和丰富化等方面依旧是一个非常具有吸引力的研究课题。本文的研究主要集中于光栅在分布式反馈谐振腔,波导与光纤耦合器以及反向耦合器方面的应用。论文主要的研究成果与创新可以总结为以下几个方面:(1)为了探索通过增大分布式反馈谐振腔的模式体积来囊括更多量子点以提高发光功率的可能性,本文提出了纵向模场拉伸方法以增大模式体积,在220nm顶厚绝缘体上的硅(SOI Silicon-on-insulator)上实验实现了一个具有75.39μm3模式体积的四分之一相移分布式反馈谐振腔,是光子晶体微腔模式体积的1000多倍。谐振峰的线宽为69pm,消光比为15dB。同时,通过与其他参数谐振腔的对比,验证了纵向模场拉伸增大模式体积的设计方法。(2)为了研究锗量子点在大模式体积谐振腔中的发光特性,实验制作并测试了具有侧向电流注入结构的四分之一相移分布式反馈谐振腔器件。该器件基于嵌有分子束外延生长的30层锗量子点的脊形波导制作,波导总厚度为790nm。在40mA的注入电流下测得了宽谱的电致发光谱线,说明此时锗量子点依旧为自发辐射发光。(3)设计并制造了两种在多模平板上具有紧凑型结构的新型光栅耦合器:在700nm顶厚绝缘体上的氮化硅(SNOI Silicon nitride-on-insulator)上设计了针对条形波导的光栅耦合器,尺寸仅为70.2μm × 19.7μm,达到了-3.7dB的峰值耦合效率与54nm的ldB耦合带宽;在790nm顶厚的SOI上设计了针对脊形波导的光栅耦合器,得到了-6.18dB的峰值耦合效率和45.8nm的3dB耦合带宽。(4)提出并实验实现了一种新型双模式通道光栅辅助反向耦合滤波器,利用叠加的混合波导光栅同时实现了基模和一阶模式反向耦合滤波。模拟结果显示通过叠加两个切趾的波导光栅可以实现对耦合边带、串扰、自反射和反射耦合的同时抑制。该器件可以配置为多种应用功能,本文通过实验展示了一种模式可选择下载滤波器,测试得到通带中心波长为1548.0nm,3dB带宽为2.54nm,模式选择所需的热光调制温度为50K。(5)提出并系统分析了一种新型多波导分布式反馈谐振腔,该腔的谐振模式在多条波导中同时谐振,并同时具有单模谐振特性。理论计算表明多波导分布式反馈谐振腔具有数倍于单波导分布式反馈谐振腔的模式体积,并同时拥有更小的净阈值增益密度。在理论设计的基础上,利用时域有限差分模拟验证了一个具有5条波导的多波导谐振腔的谐振模式,并对多波导谐振腔的实验制作进行了探索。

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