基于聚合物/氮化硅混合集成的可变光衰减器的研究

作     者：管斌礼 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张大明

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：可变光衰减器 氮化硅 聚合物 混合集成 马赫-曾德尔干涉仪 

摘      要：随着科学技术的不断进步,人们在信息化时代的步伐也进一步加快,特别是人工智能、大数据和物联网的广泛应用,对信息传播的速度和质量提出了更高的要求。光通信以其传输容量大、中继距离长、抗干扰能力强以及保密性能好等优势,逐渐成为主流的通信手段。可变光衰减器作为光通信网络中调节光信号功率的关键器件,被广泛应用于波分复用、模分复用和光交换等光通信系统中。随着光通信的发展,对可变光衰减器的衰减范围、功耗、调制带宽以及响应速度等指标提出越来越高的要求。 在片上光系统中,经常使用马赫增德尔结构来制备可变光衰减器,利用热光效应实现对器件的调节,从而达到衰减效果,基于该结构的可变光衰减器往往具有大带宽、高反应速度以及低插入损耗等特点。各种材料在制备可变光衰减器时通常会表现出各自的优势,同时会有各自的弊端。聚合物材料的可变光衰减器具有易于制备、成本较低以及热光系数大等优势,但是其弯曲损耗较大,在器件设计中往往需要更大的尺寸;氮化硅材料的可变光衰减器具有尺寸小、波导损耗低和易于与互补金属氧化物半导体工艺兼容等优势,而其较热光系数低,在器件稳定性高的同时意味着受热调制效果极不显著,因此在设计可变光衰减器时需要更长的调制臂,大大限制器件的总体尺寸。由此可知单一材料有时不能同时兼顾两种或者多种优良特性,因此提出了多种材料混合集成的器件和片上系统。本文采用马赫-曾德尔结构制备热光可变管衰减器,以氮化硅材料为主体,将调制臂使用聚合物材料取代,得到了同时兼顾氮化硅材料以及聚合物材料优势的混合集成可变光衰减器,通过软件模拟,利用28μm长的锥形波导结构,可以实现96%以上的耦合效率,在1000μm长度的调制臂下,5.09 K的温度变化能实现50 dB以上的衰减,达到聚合物VOA的调制效果,低于氮化硅VOA一个数量级,同时具有氮化硅小尺寸、低弯曲损耗的优势。另外,基于该结构保留一条氮化硅材料的调制臂并提出了一种基于马赫-曾德尔结构的非对称型可变光衰减器,在1000μm调制臂长度下,只需要4.54 K的温度变化就能实现40 dB以上的衰减效果,横向尺寸仅为12μm,远小于传统基于马赫-曾德尔结构的对称型可变光衰减器上百微米的横向尺寸。,但是具有较强的波长依赖性,适合窄带宽或者单波长应用场景。同时根据这种耦合结构又提出了一种基于非对称型多模干涉结构的可变光衰减器,该结构横向尺寸仅为3μm,缺点是较高调制功耗和较强的波长依赖性。这两种非对称结构的可变光衰减器都受环境温度影响比较大,因此在传感器领域也有较大潜力,其调制臂的长度与调制温度和带宽表现出反比的趋势,可以根据需求调整这一参数。 综上所述,本文提出的氮化硅和聚合物混合集成的可变光衰减器,可同时集成两种材料的优势并可根据应用场景灵活选用不同的器件和器件参数,同时为多种材料混合集成系统提供参考价值。