消光比硅基带通滤波器研究

本 科 生 毕 业 设 计 论 文 高消光比硅基带通滤波器研究院 系_光学与电子信息学院_专业班级 _光电 1207_姓 名_熊 奇_学 号_U201214277_指导教师_汪 毅_2016 年 月 日华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）摘 要目前，在光通信和量子信息等领域，高消光比的带通滤波器有着十分重要的应用价值。然而，不管是传统的带通滤波器，还是光纤光栅结构的滤波器，都有他们的缺点和局限性。相比之下，硅基波导对于光场的束缚能力可提升两个数量级，高精度的硅加工技术可实现大规模、低成本制备硅基波导。因此，采用硅基波导实现高消光比带通滤波器，具有尺寸小、功耗低且易于集成的优势。布拉格光栅作为基础光学器件，在光纤通信领域已经取得了巨大的成功。同样这些成就可以被借鉴到集成光学中来。在SOI材料上制作波导和光栅的工艺已经非常成熟。利用布拉格光栅是反射型光栅的特性，我们可以以此来设计和制作硅基带通滤波器。在本论文中，我们建立了基于硅基布拉格光栅波导的带通滤波器的理论模型，模拟分析了器件的传输特性，优化设计器件的结构。最后，我们依托实验室的微纳工艺制备平台，采用先进的电子束曝光和高精度刻蚀工艺，制备了器件原型，并测试了器件的工作特性。 关键词：硅基波导；布拉格光栅；带通滤波器；高消光比华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）AbstractNowadays, band-pass filters with high extinction ratio play a very important role in optical communications and quantum information. However, neither traditional band-pass filters nor filters based on fiber gratings have their own limitations. Compared to those structures, silicon-based waveguides enable tight field confinement and reduction of device footprint. In addition, high-precision fabrication technology for silicon optoelectronic devices makes it possible to fabricate silicon waveguides extensively and low-costly. These advantages allow us to achieve band-pass filters with high extinction ratio, small size, low power dissipation and easy integration. As a fundamental device in optical system, Bragg grating has been achieved great success in optical fiber communication. With the advanced fabrication technology of silicon waveguides and gratings on the silicon-on-insulator (SOI) platform, those achievements can also be used in silicon photonics. Relying on the reflection characteristics of Bragg gratings, we can design band-pass filters on SOI chips.In this thesis, we demonstrated a theory of band-pass filters based on Bragg grating waveguides (BGWs), simulated the transmission characteristics of the device, and then optimized our design. Finally, we fabricate the device and test it.Key Words：Bragg grating waveguide; band-pass filter; high extinction ratio华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）目 录摘要 .Abstract.1 绪论 .11.1 引言 .11.2 硅基光子学的发展 .21.3 波导光栅简介 .31.4 光栅滤波器 .32 布拉格光栅波导理论 .52.1 引言 .52.2 布拉格光栅波导 .73 布拉格光栅波导的设计与分析 .93.1 FDTD 简介 .93.2 波导仿真 .94 制作与测试 .174.1 制作工艺 .174.2 产品制作 .224.3 测试 .235 结论 .24致谢.26参考文献.27附录 .29华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）01 绪论1.1 引言21 世纪是信息的时代，信息在各个领域的地位已经变得越来越重要。时至今日，伴随人们的物质、精神文明的快速发展的同时，社会信息量也在爆炸式增长。由电载信息变为光载信息，以光通信代替电通信，是顺应 21 世纪通信领域向前发展大背景的需求，亦将是 21 世纪前半叶通信方向研究的主旋律。一般来说，只要是用光来传递信息的，都可以称为光通信。长城边塞烽火狼烟等原始通信手段就是最早期的“光通信”，发展到后来，有了以旗帜、信号灯还有手段进行交流的通信手段。发展到上世纪，已经有学者认识到，光作为一种电磁波，它的频率比微波要高得多，如果使用光当做载波，理论上可以让信道的通信容量提升好几个数量级。直到 1960 年，世界上第一台激光器的出现，为光通信系统提供了高能量、宽窄带的稳定相干光源。光通信的第一个、也是最重要的难题就迎刃而解。接着在 1966 年，华裔科学家高琨首次提出，如果能够降低玻璃中的杂质浓度，那么理论上玻璃纤维作为光的传输介质损耗低于 20dB/km，这也就是后来在通信领域大放异彩的光纤。至此，稳定的相干光源和低损耗的传输介质都已问世，光纤通信时代的正在大步向我们走来，为接下来几十年光通信技术的飞速发展奠定了基础。随着光纤通信技术不断的创新和发展，光纤已经成功取代了其他通信链路，成为了中、远距离通信系统中传输链路的首选。近年来，随着光纤与光电子技术的发展，一系列新颖的功能性光器件的随之问世，人们向着全光通信网络的目标越走越近。现在，光互联技术在各个国家、各个领域都获得了令人瞩目的成功。但是，在电路板间、芯片间和芯片内的通信系统中，仍然高度依赖于导线的电互联。但是，随着人们生活节奏越来越快，需要处理信息量也越来越高，同时要求的处理速度也越来越快，处理器中集成的核数也在不断的增加。这就要求电子计算机的处理器都需要更高、更强、更快的信息处理、交换能力。然而现有的电互联技术仿佛严重制约了处理器性能的提升，器件的大小、功耗、存储容量、运算速度等问题使得电互联在现在的通信需求中显得捉襟见肘，难以担当未来多核、甚至多维芯片的信息交互的大任。华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）1集成光学就是在这样的大背景下孕育而生，旨在于用光器件代替传统的电子器件，将以前分立的光器件全部集成到一块小小的硅片上，并且把器件做小做精，完成某些光处理的目的。甚至可以光为信息的载体，完成集成电路能够实现的的部分甚至所有功能。在过去的几十年里，集成光学领域日新月异，理论不断成熟、完善，技术不断创新，新结构、新产品层出不穷。集成光学焕发着自身独特的魅力，吸引着越来越多的学者、科研机构进行研究、探索，并在各个领域开始发挥着越来越重要的作用。 1.2 硅基光子学的发展硅在是自然界的分布广泛，但在人类发展的早期，比起铜、铁、钢等材料来，硅一直默默无闻。直到在近现代发展起来的微电子行业，大量使用以硅为代表的半导体材料，才使得硅材料大放异彩，成为现在应用最广泛的材料之一。以硅、锗等半导体材料为代表的的电子领域在过去的半个世纪中取的了骄人的成绩，半导体行业领军电子器件领域跨越式前进，强力推动着现代信息产业的发展。并且随着半导体行业大步向前发展，人们对硅材料的了解更加深刻、应用更加熟练，使得硅工艺加工制造行业在半导体市场拥有了惊人的产能、占据着无与伦比的地位。硅材料取得了如此巨大的成功，自然引起了光通信领域学者的目光，顺理成章的成为了集成光子器件的首选材料。虽然硅在通讯波段同样具有很小的损耗，但是硅作为光器件的原材料也存在一些明显的不足。一方面，硅是间接带隙材料，我们知道间接带隙材料在发光和探测方面是有天生缺陷的；另一方面，单晶硅因为其特殊的晶格结构，很难直接进行高速电光调制。虽说如此，硅材料在光学和光电子领域仍有它明显的优势，主要有：（1）与现在先进且成熟的 CMOS 工艺兼容，具备良好的工艺技术支持，方便实现片上电光集成；（2)硅材料在地球上分布非常广泛，来源充分，成本低，适合进行工厂大规模生产；（3）硅折射率大，对光场的限制性强，意味着可以把器件的尺寸做的更小，提高集成度；（4）在通信波段硅的传输损耗小，这对于成为光的传输媒介来说至关重要。硅基光子学从其诞生到现在的几十年的发展历程中，展现出了非常活跃的前进动力，大力推动了硅基光子领域稳步向前发展。华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）21.3 波导光栅简介光栅的定义是指在空间结构或这光学参量（如折射率）分布具有周期性变化的衍射系统。光栅的历史可以追溯到几百年前，随着时间的推移，光栅就不断的被人们所研究、认识，成为了光学科研、设计中不可或缺的基础光学器件。经过了光学领域学者们不断的探索研究，光栅的理论基础不断的得到创新和发展，制作工艺不断的被完善和超越。发展到现在，各种材料、各种结构的光栅层出不穷，光栅的作用十分强大，功能十分全面，已经成为了光学系统中最重要的元器件之一，。随着集成光子领域的快速发展，硅基波导光栅已经成为了目前集成光学领域中十分重要的理论创新、实验研究方向，大量科研工作者已经在光栅的理论、作用机制、制备工艺等方面都了取得了丰厚的成就。波导光栅是指波导的包层、芯层或衬底等介质的光学参量或波导尺寸分布呈现规律性周期变化的光路系统。波导光栅的种类很多，从不同的角度有着不同的分类。从周期来分，可分为布拉格光栅（周期小于 1um，又称反射光栅）和长周期光栅（周期达到几十至几百微米，又称透射光栅）。从波导结构来分，可分为平面光栅和立体光栅。从光栅折射率调制方式分类，可分为皱折式周期分布和折射率式周期分布。从光栅轴向折射率分布来分类，可以分为均匀光栅、啁啾光栅、高斯变迹光栅、相移光栅、倾斜光栅等。图 1-1 为几种典型的波导光栅器件的结构。图 1-1 几种典型的布拉格光栅波导器件的电镜图。 3华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）3随着研究的深入不断扩大，越来越多的波导光栅器件被运用到波导耦合器、偏振分离器、滤波器等大量的硅基光子集成器件中。硅基波导光栅由于其结构简单、功能全面、制备技术与 CMOS 工艺兼容等特点，在硅基光子集成系统中扮演着越来越重要的角色，被广泛应用到集成光路的有源和无源器件中。由此可见，我们完全有可能，把布拉格光栅在光纤通信领域的成功经验，应用到光子集成领域中来。1.4 光栅滤波器布拉格光栅是反射型光栅，它的工作原理就是将处于光栅周期对应的波长的光的反射回去，从而在向前传输的光谱中出现一个带阻区，从透射端来看它是个带阻滤波器，而从反射端来看则是一个带通滤波器