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芯片内光波导环形谐振腔谐振特性研究

作　者: 崔丹凤
导　师: 刘俊; 薛晨阳
学　校: 中北大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 微环谐振腔 绝缘体上硅（SOI） 光互连 品质因数
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


根据摩尔定律的预测，到2015年微处理器可以容纳近50亿个晶体管。并且随着网络通信的快速发展，基于系统电线的传统互连方式已经很难赶上这种脚步，距离、速度以及功耗等因素都是电线在连接芯片和电路板时所面临的挑战。因此利用光互连来代替电互连是一种必然的趋势，并且光互连要基于低成本的技术条件下。在这些背景下，基于绝缘体上硅（SOI）材料的环形谐振腔结构越来越受到国内外研究学者的广泛关注。这种硅基结构与CMOS工艺具有很好的兼容性，能够将光子器件集成在芯片上，从而使得其在光电集成、光互连等领域具有不可比拟的优势并且具有重要的应用前景。本文是在当前国际最新成果的引领下，以军事及民用的需求为目的，对高品质因数的光波导环形谐振腔开展研究，主要做了以下工作：（1）首先介绍了光波导环形谐振腔耦合结构的基本理论；（2）利用光学数值仿真软件（BPM、FDTD）对环形谐振腔结构及光栅垂直耦合系统进行数值模拟分析，并根据仿真结果对总体版图进行优化设计；（3）根据优化后的结构版图，利用外协单位的微加工线（电子束、感应耦合等离子体刻蚀等）实现了上述环形谐振腔结构芯片的制备；（4）对芯片形貌及表面粗糙度进行测试，对比是否符合所设计的结构参数。并且根据两种耦合方案，分别搭建不同的测试系统对环形谐振腔的谐振特性进行测试，取得了较好的测试结果（环形谐振腔的品质因数为104，并观察到了双稳态现象）。为下一步继续研究基于光波导环形谐振腔器件奠定良好的基础；（5）在测试结果的基础上，利用环形谐振腔的非线性效应设计了一种全光逻辑门的实现过程。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
  1.2 环形谐振腔国内外发展现状  9-13
  1.3 本人主要研究工作  13-14
第二章 光波导环形谐振腔基本理论分析  14-40
  2.1 光波导基本理论分析  14-23
    2.1.1 光的色散、散射和吸收  14-16
    2.1.2 波导的基本几何光学理论  16-21
    2.1.3 耦合模基本理论  21-23
  2.2 波导的损耗  23-26
    2.2.1 损耗型波导的基本参数  24
    2.2.2 波导的吸收损耗  24-25
    2.2.3 波导的辐射损耗  25-26
  2.3 环形谐振腔基本理论分析  26-32
    2.3.1 环形谐振腔的基本工作原理及结构  26-29
    2.3.2 环形谐振腔的主要性能指标  29-31
    2.3.3 环形谐振腔的基本用途  31-32
  2.4 硅基光波导与单模光纤的耦合问题  32-34
    2.4.1 端面直接耦合  32-33
    2.4.2 光栅垂直耦合  33-34
  2.5 光栅耦合器基本结构及原理  34-39
    2.5.1 多缝衍射  35-36
    2.5.2 衍射光栅的主要性能  36-37
    2.5.3 布拉格条件  37-38
    2.5.4 衍射光栅对光强的调控  38-39
  2.6 本章小结  39-40
第三章 环形谐振腔光学性能仿真及系统版图设计  40-55
  3.1 光束传输法(BPM)  40-43
    3.1.1 BPM 的基本原理  40-41
    3.1.2 BPM 对光波导的仿真模拟  41-43
  3.2 时域有限差分方法（FDTD）仿真体系  43-49
    3.2.1 初始条件的设置  43-44
    3.2.2 环形谐振腔耦合系统重要参数数值仿真分析  44-49
  3.3 光栅耦合器的数值仿真其设计  49-52
    3.3.1 光栅刻蚀深度（槽深）  49-50
    3.3.2 光栅周期  50-51
    3.3.3 单模光纤入射角度  51-52
  3.4 芯片结构总体版图设计  52-53
  3.5 本章小结  53-55
第四章 环形谐振腔结构系统芯片的制备  55-65
  4.1 SOI 基片的制备  55-56
  4.2 环形谐振腔关键制备工艺  56-64
    4.2.1 光刻技术  57-58
    4.2.2 磁控溅射工艺  58-59
    4.2.3 电子束曝光工艺  59-63
    4.2.4 感应耦合等离子体刻蚀工艺  63-64
  4.3 本章小结  64-65
第五章 环形谐振腔结构芯片性能测试  65-76
  5.1 环形谐振腔结构的测试  65-69
  5.2 测试结果  69-72
  5.3 一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门  72-75
  5.4 本章小结  75-76
第六章 总结与展望  76-78
  6.1 论文主要研究工作及创新性  76-77
  6.2 工作展望  77-78
参考文献  78-84
攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果  84-85
致谢  85

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光波导
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