可見光波段硅基微納光波導(dǎo)濾波器及硅光電探測器研究.pdf

1、信息和通信技術(shù)的發(fā)展改變了人們的生活與思維方式。而人們?nèi)找嬖鲩L的需求也對信息與通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電子技術(shù)已經(jīng)很難滿足海量信息傳輸?shù)囊?。而光通信能夠?qū)崿F(xiàn)長距離海量數(shù)據(jù)的要求。同時人們希望將這項(xiàng)技術(shù)延伸至中短距離通信以及互連領(lǐng)域。類似于傳統(tǒng)微電子技術(shù)的集成光學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。人們希望在降低成本和提高性能的同時，將集成光子器件朝著更高集成度的方向上繼續(xù)發(fā)展。在減小器件尺寸，提高集成度的方面，采用高折射率差的光波導(dǎo)材料成為最

2、有效的途徑。同時，隨著集成光學(xué)的繼續(xù)發(fā)展，其應(yīng)用范圍不僅僅局限于傳統(tǒng)的通信用途，其在光傳感方面的應(yīng)用也有著廣闊的前景。然而傳統(tǒng)的紅外通信波段在傳感方面有著一些局限性，短波長(如可見光)以及長波長(如遠(yuǎn)紅外)則有著其在光傳感應(yīng)用上的優(yōu)越性。這就要求我們對相關(guān)波段的波導(dǎo)平臺以及波導(dǎo)材料進(jìn)行相關(guān)的研究。
　　 本文首先回顧了集成光學(xué)的相應(yīng)技術(shù)與平臺。之后簡單介紹了平面光波導(dǎo)的基本理論，包括對常用的數(shù)值計算方法進(jìn)行了簡單的介紹，包括有限

3、差分方法以及光束傳播法。然后對集成光學(xué)的相關(guān)工藝進(jìn)行了簡單介紹。
　　 本課題主要進(jìn)行了兩方面的研究。一方面是硅基SU-8聚合物波導(dǎo)的平面濾波器的設(shè)計。該部分內(nèi)容主要是設(shè)計，制作并測試了基于MMI耦合器的一種特殊的陣列波導(dǎo)光柵濾波器。由于SU-8聚合物材料在可見光波段的透光性特別好，特別適合于實(shí)現(xiàn)可見光波導(dǎo)材料及其相應(yīng)的波導(dǎo)型濾波器。由于實(shí)驗(yàn)室沒有合適的寬帶可見光源，故使用1550nm光波段進(jìn)行測試。設(shè)計的濾波器實(shí)現(xiàn)了中心波長為

4、1550nm，通道間隔為4nm，通道數(shù)為4的解復(fù)用。其測試得出的串?dāng)_大約為12dB，3dB帶寬約為3.3nm，F(xiàn)SR為16nm，都與設(shè)計值吻合得很好。另一方面是硅基二氧化硅懸掛式波導(dǎo)的設(shè)計，制作與測試。該種特殊結(jié)構(gòu)的二氧化硅懸掛式波導(dǎo)相比于傳統(tǒng)的弱限制波導(dǎo)，提高了折射率差，其波導(dǎo)尺寸和彎曲半徑都有了顯著的減小。利用這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，如用于光傳感系統(tǒng)，相比于普通的脊型波導(dǎo)，其與傳感介質(zhì)的接觸面積更多，更容易獲得更高的靈敏度。同時，相比于傳統(tǒng)

5、的波導(dǎo)，這種懸掛式波導(dǎo)在波導(dǎo)的縱向維度上是懸空的，因此在該維度上有了空間自由度。由于二氧化硅納米結(jié)構(gòu)有著優(yōu)異的機(jī)械性能，為引入MEMS驅(qū)動調(diào)節(jié)光子器件的光學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)對光子器件的調(diào)制，控制光子器件的光學(xué)性能，并進(jìn)一步研究光子和納米結(jié)構(gòu)的相互作用等物理問題提供了可能。這部分課題由于時間關(guān)系，并沒有全部完成，僅僅測試了波導(dǎo)在可見光范圍內(nèi)的傳播損耗，大約在1.5-3dB/cm的量級。同時，由于這種懸掛式波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，使得在波導(dǎo)末端實(shí)現(xiàn)硅基可見光