【摘 要】
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凭借紧凑的尺寸和优异的光学特性，微环谐振器已经成为硅基光子学领域不可缺少的基本元件。基于热光效应和等离子色散效应的有源调谐硅基微环已经被广泛应用于光开关、光调制器、光信号处理等领域；利用石墨烯、黑磷等新型材料实现微环调制也引起了广泛的研究兴趣。
近年来，相变材料逐渐在集成光学领域崭露头角。在不同相态下，相变材料具有显著的折射率差异；不同相态之间可以在电信号或光信号的触发下实现高速、可逆、可重复的切换；同时，其相态切换是“非易失”的，即不需要持续的能量输入维持折射率变化。本文提出将一种典型的相变材
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凭借紧凑的尺寸和优异的光学特性，微环谐振器已经成为硅基光子学领域不可缺少的基本元件。基于热光效应和等离子色散效应的有源调谐硅基微环已经被广泛应用于光开关、光调制器、光信号处理等领域；利用石墨烯、黑磷等新型材料实现微环调制也引起了广泛的研究兴趣。
近年来，相变材料逐渐在集成光学领域崭露头角。在不同相态下，相变材料具有显著的折射率差异；不同相态之间可以在电信号或光信号的触发下实现高速、可逆、可重复的切换；同时，其相态切换是“非易失”的，即不需要持续的能量输入维持折射率变化。本文提出将一种典型的相变材料Ge2Sb2Te5(GST)混合集成到硅基微环上，实现一种新型的非易失全光调制结构。通过全光泵浦改变GST的相态，间接实现对微环谐振状态的调制。主要内容如下：
(1)介绍硅基光子学和硅基微环谐振器的发展现状，尤其是有源调谐微环的研究现状和重要应用。回顾相变材料在集成光学领域的应用史，具体介绍了通过控制相变材料间接实现片上调制的最新研究成果。
(2)讨论总结微环的工作原理和GST的材料性质，分析将GST薄膜集成到硅基微环实现非易失全光调制的可行性。基于仿真论证，在220nm顶层硅厚度的SOI平台上设计、优化了Si-GST微环的尺寸参数。
(3)通过一系列CMOS兼容的工艺步骤实现器件的制作。比较了氧化铟锡和二氧化硅作为保护层材料对GST成膜效果的影响；通过工艺优化解决了材料沉积后剥离困难的问题。最终在微环的特定区域沉积了尺寸精确、粗糙度低的GST薄膜。
(4)设计并搭建“双向泵浦-探测”实验装置，观察、验证了微环非易失全光调制过程的静态光谱响应和动态时域响应。基于Si-GST微环结构，实现了14dB的调制深度；在“准连续”调制过程中获得8个独立的调制等级；器件的响应时间低于14μs。进一步讨论了材料有效宽度对调制深度和调制级数的影响。GST天然的非易失性质使得Si-GST微环在光开关、片上光存储等应用场合可以显著降低器件功耗。片内光信号泵浦的工作方式避免了大尺寸电极或片外聚焦系统的使用，潜在提升了器件集成度。
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