新型硅基纳米线波导及谐振腔的研究

【摘要】由于与CMOS工艺兼容,并且在光通信波段性能优异,硅光子学近年来得到了广泛的研究并取得了一系列进展。本文首先介绍了主要的硅基集成型光子学器件,及其在光互连与光传感中的应用。然后,本文分别研究了新型低损耗硅纳米线波导与微盘谐振器,及其在光互连与光传感中的应用。首先,研究了平面集成型光波导损耗的来源,以及影响其损耗的各项波导参数。结合制备硅纳米线波导的特点,总结了降低波导损耗的各种工艺及设计方法。在分析与对比的基础上,提出了基于新型氧化工艺制备波导的方法。采用选择性氧化工艺,,制备了基于硅绝缘体氧化物(SiliconOnInsulator,SOI)硅纳米线脊形波导,其中脊形高度约为130nm,平板区域厚度约为25nm,宽度约为1μm。在课题中,制备了半径为100μm的全通型微环谐振器,并对其性能进行了测试,得到其品质因数(Q值)约为2×104。其次,本文重点研究了超小型悬挂式硅基微盘传感器。对微盘谐振器的模式理论进行了简要的介绍,提出了采用悬挂式结构可以制备高Q值及高灵敏度的微盘传感器。然后,分别仿真并计算了O.5μm-lμm弯曲半径下,微盘谐振器的弯曲损耗及灵敏度等参数。根据仿真结果,确定了采用半径为R=0.8μm的微盘,根据设计结果,其传感灵敏度比非悬挂结构要高60%,并且在空气中拥有更高的品质因数。然后,根据悬挂式结构设计了一边有平板支撑的非对称脊形波导以便进行光耦合。根据设计参数,制备了半径R=0.8μm,硅层厚度为340nm的悬挂式微盘谐振器,其中耦合波导宽度为305nm,耦合间隙为65nmn。最后,对制备的悬挂式微盘谐振器进行了溶液折射率传感测试,分别测量了不同浓度的氯化钠溶液,以及不同类型的有机溶液。最后,实验测得该微盘传感器的灵敏度约为130nm/RIU,品质因数约为100,实验结果与设计仿真结果基本相符。
【作者】王晓坤；
【导师】戴道锌；时尧成；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】硅光子学；光互连；光传感；低损耗硅波导；悬挂式微盘；

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