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中红外硅基光波导的发展现状

电子科技 2024年第2期37卷 36-45页

作者：冯露露冯松胡祥建陈梦林刘勇王迪西安工程大学理学院陕西西安710084

作为硅光子集成芯片中基本无源器件的硅基光波导是进行光信号传输的通道,其具有良好的性能,且与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺相兼容因而得到广泛应用。用于电信和数据中心的硅光子集成电路已逐步走向商业化。近年... 详细信息

作为硅光子集成芯片中基本无源器件的硅基光波导是进行光信号传输的通道,其具有良好的性能,且与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺相兼容因而得到广泛应用。用于电信和数据中心的硅光子集成电路已逐步走向商业化。近年来,中红外波段在自由空间通信、传感以及环境监测等领域的潜在应用受到研究者们的广泛关注。文中分析了中红外硅基光波导的研究现状,归纳了SOI(Silicon on Insulator)、GOSI(Ge-on-SOI)、SOS(Si on Sapphire)、GOS(Ge-on-Si)、SGOS(SiGe-on-Si)、SON(Si-on Si_(3)N_(4))、GON(Ge-on Si_(3)N_(4))等波导材料平台和SOPS(Si on Porous Si)、Undercut、Pedestal、Freestanding、Suspended、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)以及等离子体结构等制造工艺平台的研究成果。迄今为止,多数单晶硅在MIR(Mid-Infrared)平台的传播损耗大约在0.7~3.0 dB·cm^(-1)。文中讨论并对比了不同类型波导的应用前景,为中红外硅基光波导的研发、应用和商业化提供了参考。

关键词：中红外硅光子学无源器件硅基光波导绝缘体上硅锗硅传播损耗工作波长

硅基光波导中啁啾高斯脉冲在反常色散区的传输特性

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原子与分子物理学报 2021年第1期38卷 105-111页

作者：王红玉贾维国刘振门克内木乐内蒙古大学物理科学与技术学院呼和浩特010021 内蒙古大学鄂尔多斯学院鄂尔多斯017000

本文利用激光脉冲在硅基光波导(SOI)中传播时满足的非线性薛定谔方程,采用分步傅里叶变换,数值模拟了硅基光波导中啁啾高斯脉冲在反常色散区的传播特性.通过模拟发现,三阶色散正负主要决定了脉冲的振荡波形性质,克尔效应与双光子吸收对... 详细信息

本文利用激光脉冲在硅基光波导(SOI)中传播时满足的非线性薛定谔方程,采用分步傅里叶变换,数值模拟了硅基光波导中啁啾高斯脉冲在反常色散区的传播特性.通过模拟发现,三阶色散正负主要决定了脉冲的振荡波形性质,克尔效应与双光子吸收对脉冲波形起调制作用,自由载流子效应则可以忽略.初始啁啾参数的正负存在影响了脉冲的振荡强弱变化和脉冲中心的漂移的趋势,并且无论是正啁啾还是负啁啾,脉冲振荡与漂移都随着啁啾的增大而更加剧烈,同时啁啾正向增大与负向增大,都将导致脉冲展宽越严重致主峰峰值越低.

关键词：硅基光波导高斯脉冲啁啾反常色散区

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硅基光波导中亮暗孤子间的相互作用影响

硅基光波导中亮暗孤子间的相互作用影响

作者：汪洋内蒙古大学

学位级别：硕士

硅基光波导（SOI）具有很强的非线性克尔效应等非线性光学特性,对光场有很强的约束作用,在集成光路和光通信等领域都拥有巨大的研究开发价值。孤子由于其在波导中传输的稳定性被人们悉知,光孤子通信在高速度、大容量、长距离全光通信系... 详细信息

硅基光波导（SOI）具有很强的非线性克尔效应等非线性光学特性,对光场有很强的约束作用,在集成光路和光通信等领域都拥有巨大的研究开发价值。孤子由于其在波导中传输的稳定性被人们悉知,光孤子通信在高速度、大容量、长距离全光通信系统方面被广泛关注。本文通过硅基光波导（SOI）中TE模和TM模方向所满足的非线性耦合波薛定谔方程,利用分布傅里叶变换,数值模拟了亮暗孤子在SOI中共同传输时的相互作用影响。通过模拟发现,非线性效应一定时,亮暗孤子相对偏振角的增大会减小亮孤子对暗孤子的影响,但会增大暗孤子对亮孤子的影响。合适的偏振角下,暗孤子受亮孤子影响会出现类孤子波形,功率相近时,亮孤子相互作用最明显。亮孤子脉宽的增加可以增加其有效传输距离,并且,短距离内受到暗孤子影响较大;暗孤子脉宽的改变对相互影响作用较小。改变时延差可以使暗孤子中类孤子位置和峰值发生改变,合适的时延差可以改善亮孤子的有效传输距离,同时可以增加其短距离内的稳定性。当暗孤子不变,亮孤子加啁啾时,啁啾正负会影响亮孤子的压缩展宽程度,正啁啾会使亮孤子压缩,增加亮孤子的有效传输距离,增大对暗孤子的影响,同时亮孤子的功率和脉宽的增加也会影响暗孤子的稳定传输,使暗孤子主脉冲发生较大的形变,并加剧暗孤子前沿震荡。负啁啾会促进亮孤子的展宽和消耗,减小对暗孤子的影响,负啁啾亮孤子功率和脉宽的增加同样会使亮孤子有效传输距离增加,但这些变化对暗孤子产生的影响较啁啾为正时较小,暗孤子传输更加稳定。

关键词：硅基光波导亮孤子暗孤子啁啾相互作用

硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化

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硅基光波导中暗孤子相互作用及亮孤子光谱演化

作者：刘振内蒙古大学

学位级别：硕士

SOI波导作为硅光子学研究中的核心介质,由芯层与二氧化硅之间的折射率失配产生的很强的非线性光学效应,使较短长度的SOI波导可以实现多种光学函数功能,有望使光学集成芯片代替传统芯片,提高计算效率。暗孤子有较强的稳定性与抗损耗能力... 详细信息

SOI波导作为硅光子学研究中的核心介质,由芯层与二氧化硅之间的折射率失配产生的很强的非线性光学效应,使较短长度的SOI波导可以实现多种光学函数功能,有望使光学集成芯片代替传统芯片,提高计算效率。暗孤子有较强的稳定性与抗损耗能力,通信码率高,受干扰后恢复能力强,能适应长距离的大容量通信。现有研究中,对硅基光波导中暗孤子的影响讨论较少,而在时域中,亮孤子传输时有较大概率会衍生出暗孤子,暗孤子对其传输特性影响明显,频域光谱演化也将发生较大变化,因此本文通过硅基光波导中建立的耦合波方程,利用分步傅里叶方法,数值模拟了在SOI中暗孤子对传输特性,以及受暗孤子影响的亮孤子光谱的演化情况。模拟分析发现,时延差会使并行的暗孤子脉冲变形,在传输过程中形成类亮孤子,降低传输质量;通过提高其中一暗孤子的功率,可以提高另一暗孤子的能量,并且能量越高,对另一暗孤子的提升越大;当对其中一个暗孤子引入初始啁啾时,发现啁啾会加剧能量消耗,并且正啁啾加剧脉冲展宽,负啁啾减缓脉冲展宽,并对另一暗孤子有明显压缩作用,暗孤子的负啁啾不宜过大,过大的负啁啾会对自身及并行的暗孤子造成强烈的影响。暗孤子的介入将改变亮孤子光谱形状。改变暗孤子功率,将影响亮孤子分裂效应。正负啁啾暗孤子对亮孤子光谱的优化都有促进作用,会改善光谱的宽度与平坦度。改变暗孤子色散会影响亮孤子的相位匹配,影响色散波辐射,因此影响光谱的演化。

关键词：硅基光波导暗孤子对亮孤子光谱相互作用

基于片上集成硅基光波导的超连续谱产生和脉冲压缩

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基于片上集成硅基光波导的超连续谱产生和脉冲压缩

作者：杨明慧天津大学

学位级别：硕士

硅基光波导具有强的光场约束力,其加工制备过程可与互补金属氧化物半导体(complimentary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺兼容,这些优越性使得硅基光波导能够被广泛用于集成光功能器件的研制开发,成为未来大规模光电集成芯片的基... 详细信息

硅基光波导具有强的光场约束力,其加工制备过程可与互补金属氧化物半导体(complimentary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺兼容,这些优越性使得硅基光波导能够被广泛用于集成光功能器件的研制开发,成为未来大规模光电集成芯片的基础。为了获得芯片集成的中红外宽带相干光源、超短脉冲压缩器和宽带光参量放大器,需要选择合适的材料设计新型波导,可产生宽带平坦的低色散,进而实现诸多宽带非线性应用,包括可覆盖整个中红外波段的超连续谱、具有亚光学周期的超短脉冲、具有高质量波形的脉冲压缩以及具有宽带增益谱的光参量放大。在超连续谱产生方面,沟槽型波导可被用来调节出近红外波段的宽带平坦低色散,进而获得近红外宽带超连续谱。然而,用于沟槽的低折射率材料的有限透明窗口会大大限制中红外超连续谱的带宽。选择具有高非线性,更宽透明窗口和CMOS工艺兼容的锗和硅材料作为波导芯区,采用新型双层波导结构来产生中红外波段近两个倍频程带宽的平坦低色散。通过使用非线性传输模型,利用亚皮秒脉冲泵浦,可产生用作集成中红外宽带相干光源的倍频程超连续谱。在脉冲压缩方面,研究了沟槽型和双层光波导,利用单段波导进行脉冲压缩,即可分别产生具有亚光学周期脉宽、低基座、高质量波形的超短脉冲;分析了可在同一芯片上对压缩后的超短脉冲进行载波包络相位标定的可行性;研究了抑制脉冲基座抖动的机理并选择了可获得高质量脉冲的最佳泵浦条件。在光参量放大方面,通过选择具有高非线性的富含硅的氮化硅材料,实现新型双层波导的色散调控;研究在双泵浦条件下的宽带相位匹配机制,最终得到了宽带光参量放大。

关键词：硅基光波导色散调控中红外超连续谱脉冲压缩光参量放大

基于硅基光波导的偏振复用器和可调偏振分束器研究

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基于硅基光波导的偏振复用器和可调偏振分束器研究

作者：尹少杰燕山大学

学位级别：硕士

随着时代的发展,人们对数据传输速率及容量的要求越来越高,集成光学的出现解决了传统电互联中信息容量小、电磁串扰大和性能不稳定等问题。其中硅基纳米介质波导由于高折射率差、高集成度、与CMOS工艺兼容以及成本低等优势,受到科学家... 详细信息

随着时代的发展,人们对数据传输速率及容量的要求越来越高,集成光学的出现解决了传统电互联中信息容量小、电磁串扰大和性能不稳定等问题。其中硅基纳米介质波导由于高折射率差、高集成度、与CMOS工艺兼容以及成本低等优势,受到科学家的重视。但是高折射率差也带来了负面影响,即波导中的偏振问题。本文主要针对偏振问题展开的,首先是硅基片上偏振的应用,设计了一种基于偏振复用器的高性能传感器,然后提出了一种偏振可调的分束器解决硅基片上的偏振问题。这些工作为解决硅基光波导中的偏振问题提供了新的思路,有助于开辟硅基纳米集成光子器件设计和发展的新途径。本文的主要工作如下:（1）介绍了硅基介质波导的基本理论,并阐述了三种常见的数值计算方法,有限元法、有限差分法和时域有限差分法。接着对硅基光波导的制作流程和测试进行了简单说明,为后续设计和加工硅基光子器件提供了一定的理论依据和指导作用。研究了硅基混合表面等离子体波导的基本理论,并提出了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构,仿真分析该波导结构的性能,该混合表面等离子体波导结构具有很强的光场限制能力和较低的传输损耗。（2）基于偏振复用技术,利用偏振分束器设计了一种具有大感应范围和高分辨率的高性能传感器。利用硅基光波导中的偏振敏感特性,将TE偏振模式和TM偏振模式分开处理,使其分别工作在两种不同类型的谐振器下,工作在法布里-珀罗谐振器中的TE偏振模式负责实现传感器较大的感应范围,工作在微环谐振器中的TM偏振模式负责实现传感器较高的分辨率。实验测试表明该传感器的温度感应范围和分辨率分别为111℃和0.06℃;该传感器的折射率感应范围和分辨率分别是0.58RIU和0.002RIU。（3）基于对称型定向耦合器,设计了一种偏振可调的偏振分束器,首次将偏振可调功能引入偏振分束器中。该偏振分束器主要由耦合直波导和输入输出端的弯曲波导两部分组成,结构简单利于加工制作。设计耦合波导的长度使其满足TE偏振和TM偏振分束的条件,并通过加热方式使输出端偏振模式交换,实现了偏振可调功能。该偏振分束器具有较高的消光比和较低的插入损耗,除了应用于偏振复用系统中,还可广泛应用于光路由光交换技术中。

关键词：硅基光波导硅基混合表面等离子体波导偏振复用硅光子传感器可调偏振分束器

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基于硅基光波导的铁电薄膜的制备与性能研究

基于硅基光波导的铁电薄膜的制备与性能研究

作者：徐玄前浙江大学

学位级别：硕士

硅基光波导一方面由于硅材料独特的优点,另一方面可以借鉴集成电路产业的成熟工艺,在集成光电器件中将会扮演愈发重要的角色。铌酸锶钡(SrBaNbO,0.2 详细信息

硅基光波导一方面由于硅材料独特的优点,另一方面可以借鉴集成电路产业的成熟工艺,在集成光电器件中将会扮演愈发重要的角色。铌酸锶钡(SrBaNbO,0.2光波导电光调制器、铁电动态存储器DRAM、热释电红外探测器等集成光电器件方面。本论文着重研究如何制备应用于硅基光波导的高择优c轴取向SBN铁电薄膜,设计了引入双层缓冲层的薄膜结构——SBN/MgO/TiN/Si。晶格匹配理论和薄膜材料性质都证实了这种结构的合理性。作为尝试,引入MgAlO薄膜作为缓冲层,形成SBN/MgAlO/Si结构,这种结构与MgO缓冲层结构相比,可以解决晶格失配的问题,更有利于SBN薄膜择优取向生长。实验部分主要集中在薄膜的制备与性能表征,包括缓冲层TiN薄膜、MgAlO薄膜,铁电SBN薄膜以及改进的掺钾、钠SBN薄膜。实验中用到的薄膜制备方法主要有溶胶凝胶法和磁控溅射法;薄膜表征方法包括X射线衍射(XRD)、摇摆曲线(rocking-curve)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM),表面能谱分析(EDAX)、四探针电阻仪、分光光度计等。应用直流磁控溅射方法,在500℃的衬底温度、纯氮气的溅射气体、800w溅射功率的条件下制备出(002)择优取向的TiN薄膜。从表面、横截面形态学分析来看,薄膜的表面较为均匀致密,结晶颗粒大小在一定范围内分布,粗糙度分别为Ra∶1nm∶Ry∶9nm;Rz∶9nm(扫描范围:500nm×500nm),TiN/Si之间的横截面分界线明显,薄膜呈垂直于基片的柱状生长,而且柱状直径大小均匀,说明薄膜生长过程连续,应力释放充分,TiN薄膜与Si基片之间匹配较好。从其电学性能来看,电阻率均低于30μΩ·cm,可以满足作为电极的要求。采用溶胶凝胶法在Si(100)衬底上制备出MgAlO薄膜,应用XRD和AFM分别研究薄膜的取向和表面形貌,结果表明薄膜具有(400)取向,表面非常平整,粗糙度较小,可以用作制备择优取向SBN薄膜的缓冲层。采用溶胶凝胶法在单晶MgO(100)基片和Si(100)上制备出SBN薄膜,掺

关键词：硅基光波导铌酸锶钡缓冲层氮化钛镁铝尖晶石薄膜磁控溅射溶胶凝胶薄膜微结构择优生长

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基于硅基光波导的双Fano谐振研究

基于硅基光波导的双Fano谐振研究

作者：赵婷兰州大学

学位级别：硕士

Fano谐振具有尖锐不对称的响应谱线,来源于离散态与连续态在一定相位条件下的叠加混合,是在光学传感、光学调制、非线性光学等领域中具有竞争力的应用选择。长期以来,对于单Fano谐振的研究已经在各个领域内开展,但截止目前对于多/双Fan... 详细信息

Fano谐振具有尖锐不对称的响应谱线,来源于离散态与连续态在一定相位条件下的叠加混合,是在光学传感、光学调制、非线性光学等领域中具有竞争力的应用选择。长期以来,对于单Fano谐振的研究已经在各个领域内开展,但截止目前对于多/双Fano谐振的研究仍局限于原子物理和等离子体激元系统中。基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅基光子学因其兼容微电子工业中的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺及其它诸多优势而成为光学领域中的研究重点。为研究光电集成领域中的多/双Fano谐振,利用硅基光波导对双Fano谐振器件的设计和验证便尤为重要。本文第一次以硅基光波导为基础设计并实验验证了可独立调谐的双Fano谐振器件。该器件由一个U形反馈波导和并排嵌入其中的半径略异的两个微环谐振器组成,只经过微环谐振器的光形成两个尖锐的离散态光束,经过设定损耗下的反馈波导与微环所构成大谐振腔的光形成波形平坦的连续态光束,不同的光束在同一个输出端发生叠加,最终形成具有两个尖锐不对称谐振峰的双Fano谐振。根据传输矩阵法,本文中给出了器件的理论模型,并采用CMOS工艺完成了器件制作。测试结果表明,该器件产生的Fano谐振非常尖锐,消光比高达29.20dB,经计算,滚边带降值为83.42 dB/nm。更重要的是,对设置在不同微环上的热极施加电压时,两个谐振峰可以进行互不干扰的独立调谐,卓越的性能使其在一些领域具有实际应用前景,如拥有双传感区的高灵敏度光学生物化学传感器等。针对该器件在验证中表现出的不足,对该器件进行了合理的结构优化。此外,通过将本文提出的微环和反馈波导嵌套的结构引入到等臂马赫增德尔干涉仪的分支臂上,提出了创新性的Fano谐振器件结构,并在此器件结构的基础上分别研究了单Fano谐振和双Fano谐振,通过理论建模的方式分析预测了器件的基础性能与调谐性能,均取得了良好的结果。

关键词：硅基光波导双Fano谐振可调谐Fano谐振

新型硅基光波导及其在中红外通信中的应用研究

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新型硅基光波导及其在中红外通信中的应用研究

作者：黄蒙华中科技大学

学位级别：硕士

随着硅光子学在传统近红外通信波段研究的日趋完善,中红外谱段光源和探测手段的日趋成熟,中红外波段硅光子学的广泛应用前景逐渐引起研究人员的注意。中红外波段(20μm)囊括了许多重要气体分子的特征吸收波长,也涵盖了两个重要的“大气... 详细信息

随着硅光子学在传统近红外通信波段研究的日趋完善,中红外谱段光源和探测手段的日趋成熟,中红外波段硅光子学的广泛应用前景逐渐引起研究人员的注意。中红外波段(20μm)囊括了许多重要气体分子的特征吸收波长,也涵盖了两个重要的“大气通信窗口”,同时还属于“人眼安全”的波段的范畴。因此,在包括气体传感、新一代光通信网络、医疗手术、气象监测、军事科技、材料加工等领域有着丰富应用前景。同时,随着工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术的不断发展,硅光子技术应用的波长范围,已经开始从传统的通信波段拓展至中红外波段。此外,2μm波段作为中红外光谱的一个重要区间,因其恰好对应掺铥光纤放大器的增益谱段和空气芯光子晶体光纤的最低损耗窗口,因此作为一个潜在的新通信窗口而受到研究人员的广泛关注。本文围绕中红外硅光子学技术,对其在中红外通信中的应用展开了研究:介绍了硅基光波导的工作原理、评价参数和数值计算方法;设计制造了基于硅波导热光效应的中红外光开关,并对其展开实验研究;提出了基于非对称定向耦合器的中红外片上模式复用方案,搭建了2μm片上模分复用通信系统,并分别对2路和4路模分复用系统展开实验研究。具体内容如下:(1)介绍了硅基光波导的导光机制,损耗的测量和模式分布;以及光波导分析常用的数值方法及其在直波导、多模干涉器、非对称定向耦合器和光栅耦合器等无源器件数值仿真计算中的应用。(2)设计了一种基于热光效应的中红外硅基光开关,介绍了实验用垂直光栅耦合器性能优化方案及实验测试结果;介绍了光开关的工作原理、工作状态下的热分布及优化方案,实验测试中红外硅基热光开关的驱动功率和响应时间等参数。(3)设计了基于级联非对称定向耦合器的中红外多路模式复用器,介绍了该器件的工作原理和设计思路,搭建了2μm片上通信系统,并对分别对两路和四路模式复用器进行了测试,并对不同信道性能进行了对比讨论,提出改进方案。

关键词：中红外2μm波段硅基光波导热光开关模式复用