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硅基光子器件能够与传统微电子加工工艺兼容,近年来受到越来越多的关注,且随着微纳加工技术的不断发展和改善,硅基集成光学也得到了很大的进步。硅基以及SOI(silicon-on-insulator,硅基绝缘)基光波导,以其高折射率差和强的光学限制,使得光学器件向高集成度,小型化,纳米尺度发展。硅纳米槽波导(slot waveguide)由两侧高折射率的硅条和中间低折射率材料组成,可以将光场强烈的限制在中间槽内低折射率材料中。这种独有的特性使得槽波导及其波导器件相对于硅纳米线波导将有更广泛的应用。
本文对槽波导及其微环结构的相关理论、制备工艺进行了系统的研究,并对制作的器件进行了性能测试与结果分析。主要内容包括:
1、对槽波导的模式特性进行分析。槽波导准TE模的光场主要限制在低折射率的槽内,而准TM模的光场主要限制在两侧高折射率硅中。对于准TE模式(Wh=240nm,Ws=120nm,H=320nm),包层折射率与衬底相同时,槽内限制光功率比例最大24.4％,在一定范围内,优化波导参数(Wh和Ws)使得槽内光功率比例增加到了28.54%。
2、讨论了槽波导与纳米线结构之间Y型耦合器的耦合效率与结构参数之间的关系,得出该结构在WT=0时,耦合效率高达99%;考虑制作的实际情况,模拟得到Wγ=30nm,L=3μm时的耦合效率为98.12%。
3、理论计算得出了槽波导单微环、双微环以及多个级联微环的直通及下载端光谱表达式。在此基础上模拟设计了能够同时实现1.49μm/1.55μm波长信号下载以及1.31μm波长信号上传的槽波导微环三向器结构,并通过级联微环实现其光谱的顶部平坦化。
4、对槽波导单微环结构的传感和温度特性进行了研究。通过研究波导上包层材料的折射率变化对不同结构槽波导微环的谐振波长的影响,得出槽波导单微环结构(R=5μm)的传感灵敏度达850nm/RIU。对包层为SiO2材料的不同结构槽波导微环的温度特性进行了研究,槽波导微环由于温度改变产生的谐振波长漂移量为0.049nm/℃,是纳米线微环的53%。通过优化槽波导的结构参数可以进一步改善其传感特性和温度稳定性。
5、对制备得到的槽波导微环器件进行了性能测试。R=10μm的单微环的自由光谱范围16.19nm,3dB带宽为5 nm,Q值为397;同样对于槽波导微环三向器进行了测试,R1=10μm的微环的FSR为13.7nm,R=10.51μm的微环的FSR为13.4nm,半径大的微环FSR小,3dB带宽均为5 nm左右,Q值为330。分析了器件与模拟结果不同的原因,以及产生损耗的主要因素。