可调谐氮化硅波导微环谐振器研究

作     者：丁森 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：恽斌峰

授予年度：2016年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：集成光学 微环谐振器 氮化硅(Si3N4) 高品质 热光效应 可调谐 耦合系数 

摘      要：光网络正在向高速、大容量、高集成度的方向发展,为提高光网络的灵活性和自适应能力,各种不同结构的集成光学器件不断涌出。微环谐振器作为光学器件的一种结构,具有结构简单、尺寸小、集成度高等优点,因此被广泛应用于各光学器件及光学系统中,特别在滤波系统、光调制器、光学延迟线、生物传感检测等方面存在着巨大的应用价值。本论文以可调谐氮化硅微环谐振器为研究对象,在理论与制备工艺等方面对其进行了研究。本文采用氮化硅(Si3N4)作为光波导芯层材料,较有机聚合物材料相比,Si3N4具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点,同绝缘硅(SOD相比,Si3N4波导具有制备简单、工艺成本较低等优点。本文利用耦合模理论与传输矩阵法,结合数学工具软件Matlab,分析微环谐振器不同结构参数对其传输特性的影响。基于光波导理论,设计并制备了一种基于热光效应的集成可调谐氮化硅波导微环谐振器,通过调节微环及MZI干涉臂上两端电极的电压,实现谐振波长以及消光比的调谐。该微环谐振器采用马赫-曾德干涉仪(MZI)与微环相结合的结构,结合光波导模拟仿真软件Rsoft,设计并优化了波导截面尺寸、弯曲半径、耦合区波导间隔等参数。优化了光刻、反应离子刻蚀(RIE)等工艺参数,采用微加工工艺成功制备了单环和级联双环结构的可调谐氮化硅波导微环谐振器。在光学测试平台上对单环和级联双环结构的氮化硅波导微环谐振腔进行了测试。实验结果测得,微环半径分别为2000μm和2500μm的氮化硅波导微环谐振器在波长1550nm附近处的自由光谱范围(FSR)分别为68pm、59pm,3dB带宽约为16pm、18pm,品质因子Q分别达到了9.68×104、8.61×104,消光比约为15dB、13.2dB。通过热光调谐效应,实现了消光比从0到17dB范围内的变化。利用谐振波长可调性实现了级联双环结构的微环谐振器消光比叠加。该可调谐氮化硅微环谐振器在光通信和微波光子滤波领域具有一定的应用前景。