氮化硅三维微环滤波器件研究

作     者：翟珊 

作者单位：上海理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯吉军

授予年度：2020年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：三维集成 微环谐振器 氮化硅 光滤器 

摘      要：光学滤波器是密集波分复用系统的重要组成部分,可以广泛应用于光通信和微波光子方向,提高信道的通信能力。光学滤波器的滤波原理主要基于干涉,如迈克尔逊干涉,马泽干涉（MZI）,萨格纳克干涉（Sagnac）以及微腔谐振器,阵列波导光栅等。其中,常见的微腔谐振滤波器由简单的信号传输波导耦合微腔实现。传统的二维结构难以实现复杂滤波波形的设计,且波导与微腔的耦合区由于光刻、刻蚀的不均匀性常需要特殊设计。而基于氮化硅材料平台可实现三维波导结构,分层单独制备谐振微腔与信号传输波导,增加了系统设计自由度。本文研究了基于氮化硅波导的三维自耦合微环滤波器、双层交叉耦合微环滤波器以及三维多微环谐振滤波器。基于自耦合波导的设计,可在微环中同时激发顺时针和逆时针传播的模式,并可互相干涉耦合,可较为容易地实现复杂波形滤波,更可有效提高器件的主动控制和调节自由度。本论文的主要内容如下:第一章,简要介绍微腔滤波器的发展。微腔滤波器设计紧凑,尺寸小,灵敏度高,在滤波领域广受青睐。但较小的器件尺寸为器件封装带来了压力,现有的波导自动耦合系统多是基于精密仪器和优良算法共同完成的。本章分别介绍了几款自动耦合调芯系统。第二章,介绍微环滤波器的设计原理。光学器件的电磁仿真模拟都是基于麦克斯韦方程组的求解过程。其中,常用的FDTD模拟算法计算精度高,但耗费时间长,适用于小尺寸器件仿真。因此,本文还采用计算精度相对较高的Rsoft仿真软件,计算波导模式和耦合情况并通过传输矩阵方法分析器件透射光谱。第三章,介绍光滤波器的表征系统。波导器件面临的最大挑战之一就是器件封装。本文基于氮化硅波导器件的手动耦合装置,利用索雷博精密调制器件和光功率计设计自反馈耦合系统。采用lab VIEW语言实时提取功率示数作为反馈信息,调芯算法控制三轴位移台进行循环搜索,实现最佳耦合。第四章,从设计、制造、表征三个方面介绍双层氮化硅微腔滤波器。底层跑道环形谐振器耦合顶层S型弯曲波导实现自耦合结构的设计,有效提高了器件的制造容忍度。通过传输矩阵方法和Matlab软件对器件输出光谱仿真。弯曲波导与微腔的耦合系数变化引起输出光谱波形变化。同时热光效应有效实现输出光谱的谐振偏移。第五章,在双层氮化硅微腔滤波器的基础上,研究多子微环结构对光滤波器的影响。顶层弯曲波导两侧分别增加一个子微环和两个子微环,分析增加子微环后器件的输出光谱特性。子微环的增加有效提高了器件的滤波效果,同时并未引起器件尺寸增加。然而紧凑的器件结构在制造过程中不可避免的发生制造误差,详细研究来自波导厚度、宽度等误差对输出光谱的影响。得到输出光谱具有良好的稳定性,可以应用在光开关、光调制器、光滤波器等方向。