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端面反射和超模损耗对波导环形谐振腔输出谱线的影响

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中国激光 2018年第5期45卷 288-293页

作者：费瑶何玉铭杨富华李兆峰中国科学院半导体研究所半导体集成技术工程研究中心北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

波导环形谐振腔(WRR)是集成光通信以及光学传感器领域的关键器件之一,其谐振曲线的形貌将影响系统的性能。针对谐振腔耦合器一阶超模传输损耗差异、谐振腔外直波导端面反射,利用多光束干涉叠加原理,得到了波导环形谐振腔输出谱线的表达... 详细信息

波导环形谐振腔(WRR)是集成光通信以及光学传感器领域的关键器件之一,其谐振曲线的形貌将影响系统的性能。针对谐振腔耦合器一阶超模传输损耗差异、谐振腔外直波导端面反射,利用多光束干涉叠加原理,得到了波导环形谐振腔输出谱线的表达式。利用基于单边带调制的光学矢量网络分析方法,对制备的高横纵比的氮化硅光WRR进行了谐振曲线谱的测试,证实了耦合器模式以及直波导端面反射对谐振曲线的影响,实际测试曲线与理论仿真结果拟合较好。

关键词：集成光学环形谐振腔氮化硅光波导耦合器

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基于微环谐振腔的新型折射率传感技术研究

基于微环谐振腔的新型折射率传感技术研究

作者：刘明慧上海交通大学

学位级别：硕士

随着信息技术的高速发展以及集成光学相关研究的不断深入,集成光学传感器凭借其灵敏度高、集成度好、体积小、重量轻等优势,正逐渐成为光传感领域的研究热点。硅基微环谐振器作为一种典型的微型集成光器件,具有Q值高、易级联、体积小、... 详细信息

随着信息技术的高速发展以及集成光学相关研究的不断深入,集成光学传感器凭借其灵敏度高、集成度好、体积小、重量轻等优势,正逐渐成为光传感领域的研究热点。硅基微环谐振器作为一种典型的微型集成光器件,具有Q值高、易级联、体积小、易于实现批量化生产等特点,在高速光通信及新型光传感领域都具有良好的应用前景。另一方面,折射率传感技术在食品安全检测、化学物质标定、生物医学以及环境状况检测等领域都具有重要的应用,通过对待测物质的折射率进行精确检测,可以获取物质的纯度、浓度、成分等重要信息。本文提出了一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感器,其原理是利用待测物质折射率发生改变时,不同导模对应的谐振波长位移的差进行折射率检测。该方法具有较高的灵敏度,同时有望实现更大的探测范围和更低的温度敏感性。我们通过耦合模理论及时域有限差分法对微环的光学及传感特性进行了系统的理论研究及仿真分析,验证了该方法的可行性。实验中,我们设计并制备了一种能够支持两个传输模式的基于微环谐振腔的折射率传感器,系统的分析并测试了其Q值及自由光谱范围(FSR)等关键性能指标。并通过使用具有不同折射率的待测溶液开展了传感实验,得到了91.79 nm/RIU的折射率灵敏度与10 RIU的分辨率。实验结果与理论计算结果具有良好的一致性。后续通过采用更高阶模式进行传感并对传感器结构进行优化,有望进一步提高折射率传感器的灵敏度。

关键词：集成光学氮化硅光波导折射率传感微环谐振器

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低损耗氮化硅可重构微波光子滤波器

低损耗氮化硅可重构微波光子滤波器

作者：刘盼盼东南大学

学位级别：硕士

微波光子滤波器是微波光子系统中的重要器件之一,具有抗电磁干扰、宽带可调谐、可重构等优点。微波光子滤波器不仅应用在需要高速信号处理能力的雷达系统和航天领域,同时在通信系统中特别是在毫米波ROF系统中也得到广泛应用。目前微波... 详细信息

微波光子滤波器是微波光子系统中的重要器件之一,具有抗电磁干扰、宽带可调谐、可重构等优点。微波光子滤波器不仅应用在需要高速信号处理能力的雷达系统和航天领域,同时在通信系统中特别是在毫米波ROF系统中也得到广泛应用。目前微波光子滤波器正在从传统的光纤分立器件向集成芯片化方向发展,基于SOI、SiN、InP和聚合物平台的相关器件都有报道。其中氮化硅光波导因具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、与CMOS工艺相兼容等优点,被广泛应用于集成光器件的研究。本论文主要研究芯层厚度为200nm的低损耗单条形氮化硅光波导以及基于该氮化硅光波导微环谐振器的可重构微波光子滤波器。第一部分主要研究了低损耗单条形氮化硅光波导的制备工艺及其优化方法。对波导的截面尺寸、弯曲半径、耦合间距及耦合长度等参数进行设计;在此基础上,通过光刻、反应离子刻蚀、PECVD、退火等工艺制备了宽度为1.5μm、厚度为200nm的单条形氮化硅光波导,并通过截断法和微环法对光波导的损耗特性进行测试,分析了退火过程对波导传输损耗的影响。利用截断法测得未退火、退火3小时和退火6小时三种退火时间下的氮化硅光波导的传输损耗分别为3.45dB/cm、1.61dB/cm和1.34dB/cm,且与模场直径为4.8μm的细径光纤的端面耦合损耗分别为1.73dB/cm、1.63dB/cm和1.64dB/cm;同时,通过测得的跑道型微环谐振腔的传输光谱,拟合得到未退火、退火3小时和退火6小时三种退火时间下的氮化硅光波导的传输损耗分别为3.95dB/cm、1.64 dB/cm和1.66 dB/cm。两种测试方案结果表明,退火过程可以明显降低单条形氮化硅光波导的传输损耗。第二部分主要在制备的低损耗氮化硅光波导基础上,对基于MZI耦合微环谐振腔的可重构微波光子滤波器进行了研究。基于耦合模理论和传输矩阵法对MZI耦合微环谐振腔及基于微环耦合非对称MZI干涉器的光子滤波器理论模型进行分析。对器件中的2×2多模干涉耦合器(MMI)和用于热光调谐的金属电极的结构尺寸进行设计并优化。利用低损耗氮化硅光波导的制备工艺对设计的可重构光子滤波器进行制备,并进行通光测试。实验结果表明,对于单个MZI耦合微环谐振腔来说,在00.5V电压范围内可实现消光比从1.6dB2dB的调谐,谐振波长实现一个FSR的偏移所需要为11.5V。为了得到更大的消光比,将MZI耦合微环谐振腔双环级联,最终取得消光比达30.3dB的效果。而制备的基于微环耦合非对称MZI干涉器的可重构光子滤波器实现了3dB带宽约为3.125GHz、占整个器件FSR的13.9%的窄带通滤波器和3dB带宽约为11.2GHz、占整个器件FSR的50%的宽带通滤波器,通过改变器件参数可实现窄带通滤波器和宽带通滤波器之间的转换。最后,采用制备的MZI耦合微环谐振腔搭建了可重构微波光子链路系统,测试结果表明基于MZI耦合微环谐振腔的可重构微波光子带阻滤波器实现了带外抑制比从0.2dB4.1dB的调谐以及16.4GHz的频率调谐范围。

关键词：氮化硅光波导低损耗微环谐振腔可重构微波光子滤波器

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应用于氮化硅光子芯片的模斑转换器研究

应用于氮化硅光子芯片的模斑转换器研究

作者：付鸿敏电子科技大学

学位级别：硕士

氮化硅(SiN)材料因其较宽的透明窗口和较低的温度敏感性,可实现高折射率差、低传输损耗的光波导等优点在集成光波导器件领域受到了广泛的重视。近年来,各种实验室原型的氮化硅光波导器件相继研制成功,推动着氮化硅光波导器件不断向实用... 详细信息

氮化硅(SiN)材料因其较宽的透明窗口和较低的温度敏感性,可实现高折射率差、低传输损耗的光波导等优点在集成光波导器件领域受到了广泛的重视。近年来,各种实验室原型的氮化硅光波导器件相继研制成功,推动着氮化硅光波导器件不断向实用化迈进。然而,通常氮化硅光波导的截面尺寸远小于普通单模光纤的截面尺寸,因此其在与单模光纤耦合时由于波导与光纤的模场失配导致的耦合损耗也较大,使得器件的性能不能得到充分发挥,阻碍了氮化硅光波导器件的实用化。目前,降低氮化硅光波导与光纤耦合损耗的两种主要方案分别是采用光栅耦合器与采用模斑转换器,这其中采用模斑转换器通常可实现较高的耦合效率、较大的工作带宽和较低的偏振依赖性。本文分别针对标准单模光纤及锥形单模光纤与氮化硅光波导耦合的两种情形,研究、设计并制作了应用于氮化硅光波导的模斑转换器,测试了相应的耦合效率,分析讨论了提升耦合效率的技术路线。论文的具体工作如下:首先,介绍了当前国内外有关模斑转换器的研究现状,说明了氮化硅光波导模斑转换器的研究意义。然后,针对模斑转换器的理论设计,介绍了相关理论知识,主要包括条形波导的模式求解、光纤与光波导的对接耦合理论、模斑转换器的基本原理以及器件测试的截断法。并采用理论分析与数值仿真相结合的方式,确定了应用于两种光纤耦合情形的模斑转换器设计思路,主要是在水平和竖直方向对氮化硅波导模场进行设计,并经多次仿真优化,初步确定器件参数。最后,针对模斑转换器的制作与性能测试展开研究。依次进行了制作工艺研究与设计,掩膜版设计、器件制作与测试、结果分析等。实验结果表明:氮化硅条形直波导与标准单模光纤的端面耦合损耗是14.98 d B,水平锥形Epo Core作为包层的氮化硅倒锥形模斑转换器能将该值降低为12.39 d B;氮化硅条形直波导与模场直径为3.2μm的锥形单模光纤的端面耦合损耗是6.82 d B,氮化硅正锥形阶梯波导模斑转换器能将该值降低为5.98 d B。这证明了所制作的氮化硅波导模斑转换器能有效提高与光纤的耦合效率。

关键词：集成光波导器件模斑转换器氮化硅光波导单模光纤锥形光纤耦合损耗