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硅基太赫兹微环谐振器的设计与分析

电子元件与材料 2015年第5期34卷 84-87页

作者：刘德兵刘祖其四川托普信息技术职业学院

太赫兹频段缺少有效的有源器件模型是制约硅基太赫兹集成电路快速发展主要阻碍。介绍了微环谐振器的工作原理及分析方法,研究了耦合系数和损耗系数与微环传输特性的关系,使用硅基材料设计了一种串联三微环结构的硅基太赫兹谐振器模型,... 详细信息

太赫兹频段缺少有效的有源器件模型是制约硅基太赫兹集成电路快速发展主要阻碍。介绍了微环谐振器的工作原理及分析方法,研究了耦合系数和损耗系数与微环传输特性的关系,使用硅基材料设计了一种串联三微环结构的硅基太赫兹谐振器模型,通过改变微环的传输损耗系数、耦合系数,运用有限差分数值计算方法模拟得到微环谱线和延迟特性曲线,分析其对传输特性的影响,优化微环谐振器的参数设计,得到高性能的硅基太赫兹集成器件。

关键词：太赫兹微环谐振器耦合模理论硅基材料微环谱仪延迟特性

基于硅基微环谐振器（MRR）的光学滤波器设计

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基于硅基微环谐振器（MRR）的光学滤波器设计

作者：王永功兰州交通大学

学位级别：硕士

晶体管特征尺寸的进一步减小,大规模集成电路的制造受到了量子隧穿效应等基本物理原理的限制。使得仅仅依靠减小晶体管尺寸、提高工作频率的电学手段提高信息处理能力的发展遇到了瓶颈。绝缘衬底上硅材料(SOI,Silicon on Insulator)因... 详细信息

晶体管特征尺寸的进一步减小,大规模集成电路的制造受到了量子隧穿效应等基本物理原理的限制。使得仅仅依靠减小晶体管尺寸、提高工作频率的电学手段提高信息处理能力的发展遇到了瓶颈。绝缘衬底上硅材料(SOI,Silicon on Insulator)因具有较高折射率差,对C波段的电磁波具有较强的限制能力,成为了制造光电子器件、特别是集成光学器件的理想材料。基于SOI材料的集成光学的最大优势是继承了数十年来集成电路发展的成果和思路,且采用与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相兼容的工艺条件实现结构紧凑的光学器件。同时,由于硅材料具有良好的等离子色散效应和热光效应,可方便用于SOI材料的光学器件的调谐控制,极大丰富光电子器件功能和适用范围。可以说,到目前为止集成光学已经取得了令世人瞩目的成就。在众多基于SOI材料光学器件中,微环谐振器(MRR,Microring Resonators)由一个闭合的环形波导和直波导耦合构成,因具有工艺成熟、集成度高及可实现光电混合集成的优点,常用来构建不同用途的光学滤波器件,是硅基集成光学器件的重要构成成员。本文就是围绕基于微环谐振器的硅基集成光学滤波器设计展开研究。从基础理论入手,对SOI材料的体系特性和典型的微纳光波导结构、硅基微纳波导的基本理论,特别是硅基微纳光波导的弯曲耦合进行了梳理和探讨,并利用散射矩阵模型对Add-Drop型MRR的滤波特性进行了分析。然后讨论了基于MRR的光学滤波器的参数设计,包括波导参数设计、MRR的参数设计、外界折射率的变化对滤波器输出光谱的影响及器件耦合端面的设计,最后基于CMOS工艺在SOI材料上制备出一组不同耦合参数的的集成光学滤波器,并进行了测试,还对器件的输出参数进行了讨论。核心工作包括以下几点:(1)分析了硅基微纳波导的单模工作条件、辐射损耗与弯曲半径的关系,及耦合系数和耦合端面的设计对基于MRR的集成光学滤波器输出性能的影响。(2)阐述了硅基微纳光子器件的制备工艺、测试平台和测试方法和步骤。(3)最后基于SOI材料设计、制备和测试了一组不同耦合间距值,波导宽度为W=400 nm,高度H=220 nm,平板厚度h=90 nm的基于MRR的集成光学滤波器。得出耦合间距与滤波器输出图谱的自由光谱区、光学带宽、品质因子的关系。

关键词：微纳波导微环谐振器光学滤波器

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基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究

基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究

作者：李林科大连理工大学

学位级别：硕士

首先运用光波导理论和耦合模理论，建立了微环谐振器传输特性的理论模型，分析了微环谐振器传输特性和各性能指标随耦合和损耗这两个重要参数的变化关系，并讨论了等几种常见微环谐振器结构的特点，为微环谐振器的设计提供了理论依据。 ... 详细信息

首先运用光波导理论和耦合模理论，建立了微环谐振器传输特性的理论模型，分析了微环谐振器传输特性和各性能指标随耦合和损耗这两个重要参数的变化关系，并讨论了等几种常见微环谐振器结构的特点，为微环谐振器的设计提供了理论依据。介绍了微环谐振器的两种数值模拟方法—时域有限差分法（FDTD）和光束传播法（BPM），对于FDTD方法，分析了模拟时间、数值色散对模拟结果的影响，从而给出了选取时间、时间步长和格点的基本原则;对于BPM方法，讨论了其模拟微环谐振器传输特性的基本思路，并详细讨论了弯曲波导的基本特性和微环谐振器耦合效率和传输损耗的计算方法，基于讨论的结果最后得到了微环谐振器的传输特性曲线。通过比较这两种方法发现FDTD适合于小尺寸微环的模拟分析，而BPM适合于大尺寸微环的模拟分析。对新型聚合物光子材料PPESK的成膜工艺进行了系统的研究，通过旋涂法获得了厚度均一性和折射率一致性良好的薄膜，并分析了溶剂吸水性和挥发性对薄膜质量的影响。采用棱镜耦合仪测量分析了PPESK和氟化PPESK的折射率、双折射、热光系数和光学损耗等光学特性，结果显示该材料是一种具有良好前景的聚合物光子材料。研究了新型有机无机杂化聚合物光子材料PSQ的成膜工艺，讨论了溶剂挥发性对薄膜质量的影响，获得了质量优良的薄膜，并测量了它们的基本光学特性。重点研究了PSQ-Ls（液态PSQ）的固化工艺，通过优化固化工艺使PSQ-Ls具备了较低的光损耗，同时讨论了PSQ-Ls折射率的调控方法，结果表明PSQ-Ls是一种性能良好的聚合物光子材料。以液态PSQ（PSQ-Ls）为波导制备材料，设计了多种掩埋型微环谐振器结构和波导测试结构，用于微环谐振器和波导基本性能的测试、设计结果和实际器件性能的对比、以及波导制备工艺的考察等，设计中对微环谐振器的波导宽度、弯曲半径、耦合长度及耦合间隙（Gap）进行了优化，以期获得最小的插入损耗及大的消光比。给出了掩模版的设计思路和设计结果，并制备出了掩模版。

关键词：聚合物微环谐振器 PPESK PSQ 光束传播法（BPM）

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基于硅基微环谐振器的关联光子对的产生

基于硅基微环谐振器的关联光子对的产生

作者：季梦溪华中科技大学

学位级别：硕士

量子关联光子对是量子信息处理中最基础和最重要的资源,随着量子通信和量子计算越来越受到人们的关注,寻找适合产生关联光子对的平台成为了一个重要的研究课题。早在数十年前,科学家就在传统的材料如BBO晶体和非线性光纤上实现了关联光... 详细信息

量子关联光子对是量子信息处理中最基础和最重要的资源,随着量子通信和量子计算越来越受到人们的关注,寻找适合产生关联光子对的平台成为了一个重要的研究课题。早在数十年前,科学家就在传统的材料如BBO晶体和非线性光纤上实现了关联光子对的产生。然而,随着硅基微纳器件加工工艺的日益成熟,加上硅波导在束缚光场和非线性系数等方面具有巨大优势,硅基器件逐渐被认为是产生关联光子对的绝佳平台。其中,硅基微环由于谐振腔效应能够进一步束缚光场,增强非线性效应,因此,研究基于硅基微环的关联光子对的产生有重要的意义。本文首先从理论上分析和模拟了硅基微环谐振器的光学特性,进而得到了一系列关于硅基微环谐振器的主要性能参数和工作原理,为设计合理的微环谐振器提供正确的指导。然后分析了硅基微环谐振器中产生受激四波混频效应的原理和影响四波混频效率的因素,结合参考文献给出了微环中自发四波混频的产生机制,最后分析了微环中这两种四波混频的关联性,为接下来的实验部分提供理论依据。实验部分,本论文首先结合实验室现有的电子束光刻和反应离子刻蚀等技术,成功地制备了光学特性良好的微环谐振器。然后利用垂直耦合平台,滤波器,单光子探测器和单光子计数器等设备,成功观测到了微环中产生的量子关联光子对,并且将实验结果和理论分析进行了比较。最后提出并实现了一种湿法转移石墨烯到微环和波导表面制成硅-石墨烯混合型微环的方案,经过实验和理论分析验证,该方案可以用来提升四波混频和光子对产生效率,这也为后续基于集成芯片的量子通信和量子计算提供了一种思路。

关键词：微环谐振器四波混频关联光子对石墨烯

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用于产生克尔光频梳的微环谐振器研究

用于产生克尔光频梳的微环谐振器研究

作者：丁孟寒大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着集成光电子技术的发展,微环谐振器引起了广泛的关注。其结构简单、占地面积小、集成度高且应用潜力大。得益于先进制造工艺的发展,以及微环突出的非线性特性,使得微腔光频梳技术成为研究热点。通过设计制备具有高品质因子、... 详细信息

近年来,随着集成光电子技术的发展,微环谐振器引起了广泛的关注。其结构简单、占地面积小、集成度高且应用潜力大。得益于先进制造工艺的发展,以及微环突出的非线性特性,使得微腔光频梳技术成为研究热点。通过设计制备具有高品质因子、低损耗和高克尔非线性效应等特性的微环谐振器,可以进一步实现光频梳的激发。本文就针对能够满足集成光频梳产生要求的微环谐振器展开了设计与研究工作,深入探究了微腔光频梳的产生机制、理论模型以及测试方法,并讨论了其在射频相关领域的应用。具体的工作内容分为以下几个方面:(1)详细分析了微腔光频梳的产生原理,深入研究了边带梳谱的产生过程。根据非线性薛定谔方程研究光脉冲在光纤中的传输过程,随后将该方程与边界条件相结合,得到可以描述微环内腔场变化的Lugiato-Lefever Equation(LLE)方程,从而建立模型来研究克尔光频梳的产生。仿真结果发现脉冲光在传输过程中,由于受到色散和非线性效应的共同作用,从而传输形状发生了改变。在此基础上,进一步优化微环尺寸和非线性系数等参数,采用分步傅里叶算法对程序进行重新编写,最后仿真得到一系列新的频谱成分。(2)深入研究了用于产生光频梳的微环谐振器,制定了相应测试方案。根据微环谐振器的工作原理以及集成克尔光频梳的产生要求,对微环谐振器的材料结构、品质因子(Q)、损耗和色散等参数进行了仿真设计工作。探索了满足四波混频效应产生的相位匹配条件,结合集成工艺,设计并制备了二氧化硅微环谐振器。随后根据相关理论和仿真参数制定了微环透射谱的测试方案,选择采用波长扫描的方式,对微环的传输谱进行测试分析。(3)根据测试的微环透射谱的半峰全宽和相对应谐振处的波长值,估算了实物微环的Q值,达到10量级,代表其能在微环内积攒较多的能量,更有利于光频梳的产生。随后构建了测试平台,利用微环谐振腔内的一系列非线性效应的综合平衡,来进行光频梳激发实验。此外,光频梳具有相干的频率序列,能够提供大量的波长通道,可以代替宽谱光源来与射频光子学相结合,在此基础上讨论了射频光子滤波器的实验方案,研究其在射频光子学领域的应用。

关键词：微环谐振器克尔非线性效应光频梳二氧化硅射频光子学

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可调谐氮化硅波导微环谐振器研究

可调谐氮化硅波导微环谐振器研究

作者：丁森东南大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

监测骨髓基质干细胞胃癌作用机制的微环谐振器研究

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监测骨髓基质干细胞胃癌作用机制的微环谐振器研究

作者：石思潮华中科技大学

学位级别：硕士

随着光纤通信系统的不断研究推进,对于光器件的小功率化、集成化以及规模化提出了很高的要求。因此集成光学顺势发展,并且与现有的不断发展的硅基电子集成技术紧密结合,形成了硅基光电子学。而其主要的目标,就是应用现有的CMOS工艺,加... 详细信息

随着光纤通信系统的不断研究推进,对于光器件的小功率化、集成化以及规模化提出了很高的要求。因此集成光学顺势发展,并且与现有的不断发展的硅基电子集成技术紧密结合,形成了硅基光电子学。而其主要的目标,就是应用现有的CMOS工艺,加工集成的全光处理器件。微环谐振器作为光电子集成技术的重要部件,被广泛应用在全光信号缓存、光学滤波器、全光开关、逻辑门等全光信号的处理方面。而由于微环谐振器的高集成度、高灵敏度、结构易扩展、兼容CMOS工艺等优点,其应用于生物医学领域有着很大的发展空间,基于微环谐振器的生物传感器成为了研究热点。同济医学院的课题组（协和医院消化内科蔺蓉）正在对骨髓干细胞癌变导致胃癌的癌变过程进行研究,前期发现“骨髓基质干细胞（MSCs）存在两种不同形态的细胞亚群”,首次提出MSCs通过不同亚型间的表型转化参与胃癌发生。由于缺少特异性标志物,普通生物学方法很难对其分离鉴别。本文对高灵敏度的微环生物传感器进行了研究。首先介绍了微环谐振器的结构、特征参数,结合光波导原理以及光波导的耦合模理论分析了微环的耦合区域和传输特性,并且根据微环谐振器的参量模型推导了包括FSR、Q值、半高宽等主要参数的计算公式。之后详细介绍了微环谐振器用作生物传感器的原理,对等效FSR、探测灵敏度等主要参数的推导。本文设计了级联微环生物传感器结构,利用游标效应提高探测灵敏度,并对级联微环的等效FSR和探测灵敏度进行了理论推导;制备了通光良好的级联微环生物传感器,获得了较大的等效自由光谱区,相比普通单微环传感器不仅增大了等效探测范围,还提高了探测灵敏度。实验分别测试了离子水,1640培养基,培养3天的胃癌细胞上清液样本。生物医学使用的1640培养基以及培养了3天的胃癌细胞组织上清液在级联微环生物传感器的主谐振波长上有16.2nm的差别,而骨髓基质干细胞（MSCs）的两种细胞亚群在级联微环生物传感器主谐振波长上的漂移有17.48nm,实现了对培养基和胃癌细胞上清液、骨髓基质干细胞的两个细胞亚群直观的区分鉴别。本文利用“微环谐振器”的微型化和折射率敏感性、高灵敏度等特点检测和区分不同状态的胃癌细胞组织上清液以及骨髓干细胞的亚细胞群等,帮助了合作课题组进一步细化干细胞亚型并研究干细胞参与胃癌发生的机制。实验中设计和制备了高灵敏度级联微环生物传感器,其探测灵敏度为235nm/RIU。

关键词：硅光子学微环谐振器游标效应级联微环生物传感器

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新型光波导微环谐振器的研究

新型光波导微环谐振器的研究

作者：李丹电子科技大学

学位级别：硕士

微环谐振器是一种重要的多功能集成光学器件,它不仅可用于光通信与光信息处理领域来实现滤波、开关、调制、延迟、以及光频梳产生等重要功能,而且微环谐振腔对波长敏感,也可应用于光传感领域实现结构紧凑、灵敏度高的光传感器。除了功... 详细信息

微环谐振器是一种重要的多功能集成光学器件,它不仅可用于光通信与光信息处理领域来实现滤波、开关、调制、延迟、以及光频梳产生等重要功能,而且微环谐振腔对波长敏感,也可应用于光传感领域实现结构紧凑、灵敏度高的光传感器。除了功能的多样性,微环谐振器还具有体积小、灵敏度高、易调谐、易于集成等优点。这些优异的性能使得微环谐振器的研究一直是集成光学器件领域的热点之一。各种微环的构型,包括多环级联、微环与马赫-曾德尔干涉仪的级联、微环与法布里-珀罗干涉仪级联等结构相继提出,同时围绕微环的各种应用研究也持续推进。就微环在传感领域的应用而言,通常希望微环波导与待传感分析物（通常为液体或气体）间有较大的相互作用长度,从而增大传感器的灵敏度,然而这将导致微环周长变长,进而使得自由光谱区（free spectral range,FSR）显著减小,最终导致传感范围减小,因此有必要研究如何在增大微环周长的同时确保微环能实现较大的自由光谱区。除此之外为了使器件小型化,还需要研究如何降低器件的尺寸。本论文即是针对这一应用背景,提出了一种双环谐振的新型光波导微环谐振器,论文的主要内容如下:针对所提出的基于双环谐振的新型光波导微环谐振器,采用信号流程图法建立了它的传输函数数学模型,并在此基础上分析该微环谐振器传输特性。通过与具有相同结构参数的传统单微环谐振器相比,从理论上证实所提出的双环谐振型微环谐振器可增大FSR,为进一步研究双环谐振型微环谐振器的应用奠定基础。接下来从理论上分析了该器件的热光调谐特性和温度传感性能,并进一步地分析讨论了提高传感性能的思路。利用聚合物光波导材料,对所提出的基于双环谐振的新型光波导微环谐振器进行了设计、制作及测试,从实验上进一步验证理论预期的结果。实验研究了所提出的双环谐振型光波导微环谐振器的热光调谐特性及温度传感功能,证实了该器件在实现大测量范围、高灵敏度传感方面的潜力。实验得到的双环温度传感器的灵敏度为147 pm/℃,测量范围为31.5℃。热光调谐的灵敏度为57 pm/mW。

关键词：微环谐振器温度传感热光调谐性能聚合物

用于折射率传感的一维光子晶体微环谐振器研究

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用于折射率传感的一维光子晶体微环谐振器研究

作者：胡述波长春理工大学

学位级别：硕士

光学传感技术是融合了多门重要学科的综合性技术,在疾病诊断、航空航天、生化防恐、环境监测等领域都发挥着重要作用。随着各类应用的发展,微型化、低成本、高灵敏度的光学传感器成为国内外研究热点。本文主要开展了基于一维光子晶体微... 详细信息

光学传感技术是融合了多门重要学科的综合性技术,在疾病诊断、航空航天、生化防恐、环境监测等领域都发挥着重要作用。随着各类应用的发展,微型化、低成本、高灵敏度的光学传感器成为国内外研究热点。本文主要开展了基于一维光子晶体微环谐振器的折射率传感研究,主要包括基于含槽一维光子晶体微环介质带模式,蝴蝶结型一维光子晶体微环空气带模式和色散型一维光子晶体微环的传感特性研究。首先针对含槽一维光子晶体微环,分别研究了空气孔半径,微环波导宽度和槽宽对其禁带位置与禁带宽度的影响,讨论了总线波导宽度和耦合间距对其耦合特性的影响,得到其传输特性,光场局域情况和各介质带模式的品质因子,探讨了含槽一维光子晶体微环介质带模式的传感灵敏度,最高可达495 nm/RIU。随后以蝴蝶结型一维光子晶体微环为研究对象,讨论了微环波导宽度,蝴蝶结孔半径和蝴蝶结角度对其空气带模式品质因子的影响,经优化后品质因子可达1.419×105。以高品质因子空气带模式为研究对象,得到了250 nm/RIU的传感灵敏度。最后,利用传输矩阵法,理论分析并推导出微环传输谱线表达式,发现其中振幅传递因子、振幅透射系数和有效折射率都与波长相关,因此,研究了色散对一维光子晶体微环传输特性的影响,发现色散可使传输谱线成为谐振强度不等的包络型谱线。探讨了耦合长度和耦合间距对传输谱线的影响,通过选定临界耦合点,得到色散型一维光子晶体微环的传感灵敏度可达310 nm/RIU。本文的研究工作为微型化、低成本、高灵敏度的集成化折射率传感器的发展提供了理论基础和创新性思路,为片上集成传感系统的发展起到了推动作用。

关键词：一维光子晶体微环谐振器品质因子色散特性传感灵敏度