（光学专业论文）基于硅基微环谐振腔的热光调谐滤波器及其特性研究.pdf

l i i j i iir l iii 1 1 l liil y 1814 14 5 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d c x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：胡墅 2 0 1 0 年0 5 月2 4 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目基于硅基微环谐振腔的热光调谐滤波器及其特性研究 姓名胡野学号2 1 2 0 0 7 0 0 9 2答辩日期2 0 1 0 年0 5 月2 5 日 论文类别博士口学历硕士x 硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口一 院系所物理学院光电信息科学系专业光学 联系电话 1 3 7 5 2 3 0 8 9 1 8e m a i l a n d y h 0 0 7 5 g m a i l c o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学物理科学学院( 3 0 0 0 7 1 ) 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：# 2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 。本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 l 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：羔塑煎 2 0 加年g - 月9 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 基于硅基微环谐振腔的热光调谐滤波器及其特性研究 姓名胡野学号 2 1 2 0 0 7 0 0 9 2 答辩日期2 0 1 0 年0 5 月2 5 日 论文类别博士口 学历硕士日硕士专业学位口 高校教师口 同等学力硕士口 院系所物理学院光电信息科学系 专业 光学 联系电话 e m a i l h o y a c h t e r m a i l n a n k a i e d u e l l 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学物理科学学院( 3 0 0 0 7 1 ) 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开 本人郑重声明：所呈 取得的研究成果。除文中 含任何他人创作的、已公 涉及的研究工作做出贡献 学位论文原创性声明的法 学位论文作者签名： 根据南开大学有关规 请和相关部门批准方能标 说明为空白。 论文题目 申请密级口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0 年月 日至2 0年 月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 硅光子学因为其高集成性、高光学带宽以及与其它集成光学系统良好的耦 合性在未来低成本、高带宽的芯片级光通信系统中有着广泛的应用，因此对硅 光子学的研究也成为了一门前景十分广阔的科研领域。在硅光子学领域，硅基 微环谐振腔是一个十分关键的组成部分，由于其功能的多样性，结构的紧凑性， 良好的波长选择性，使其可广泛应用于许多光学功能的实现，诸如光开关、光 多路复用、光波检测等。在这些诸多应用中，微环谐振腔的调谐能力十分关键， 起着极其重要的作用。本论文在综述了硅基微环谐振腔的研究背景、发展历程 的基础上，着重研究了硅基微环谐振腔的工作机理、设计与制作，进一步系统 分析与研究了以硅基微环谐振腔为基础的可调谐热光效应光开关，并在此基础 上，探讨了其在波分复用光通信系统中的重要应用。 首先，对于应用于热光开关中直径为1 0 p m 的硅基微环谐振腔进行了系统 研究，其谐振波长的调谐通过置于其上的微型加热器所产生的热致折射率变化 来实现。虽然热光调谐机制较之于电光调谐和全光调谐，其调谐速度比较缓慢， 但是由于热光调谐很好地利用了硅的高热光系数，因而可以获得更宽的波长调 谐范围。 其次，论文对该器件结构上的设计从光学和热学两个方面进行了模拟，从 而对其工作性能进行验证和优化。实验测得该微环谐振腔的自由光谱范围为 1 8 n m ，在q 值约为1 0 0 0 0 时半高宽测得值在0 1 0 21 1 n l 范围。以其为基础设计 的光开关可获得较宽的调谐范围( 大于6 4r i m ) ，这使得光通道间隔为0 2 n m 的 密集波分复用( d w d m ) 得以实现。另外，实验测得此热光开关的响应时间在1 0 9 s 量级，而功耗却可保证相对较低，约为1 1 9 m w n m ，所得结果与预期模拟一致。 最后，研究了以该热光开关为基础设计的1 4 和4 x 4 可重构光分插复用器， 并证明了片上密集波分复用( d w d m ) 系统在未来超大规模集成光电系统中得以 广泛应用的可行性。 关键词：微环谐振腔、热光效应、滤波器、s o l 、波长调谐、波导、电子 束光刻、分插复用器、光开关、密集波分复用 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eh i 曲d e g r e eo fi n t e g r a t i o n ，h i g ho p t i c a lb a n d w i d t h ，a n dp e r f e c t c o u p l i n g 谢t 1 1m a n yo t h e ri n t e g r a t e do p t i c a ld e v i c e s ，s i l i c o np h o t o n i c si s av e r y p r o m i s i n gt e c h n o l o g y f o rf u t u r el o w - c o s th i g h - b a n d w i d t ho p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t sb a s e do ns i l i c o nw i l lm e e tt h e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gi n t h ef u t u r e s i l i c o n - b a s e dm i c r o r i n g r e s o n a t o r sa r eak e yb u i l d i n gb l o c kf o rt h eu p c o m i n go e i cd u et ot h em u l t i p l e f u n c t i o n s ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，a n de x c e l l e n tw a v e l e n g t hs e l e c t i n gc a p a b i l i t y i tc a nb e w i d e l yu s e dt or e a l i z em a n yo p t i c a lf u n c t i o n ss u c ha ss w i t c h i n g ，m u l t i p l e x i n g ， d e m u l t i p l e x i n ga n dd e t e c t i o no fo p t i c a lw a v e i nm a n yo ft h e s ea p p l i c a t i o n s ，t h e a b i l i t yt ot u l l et h er e s o n a n c e so ft h em i c r o r i n gr e s o n a t o r si ss i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n t a n dh i g h l yd e s i r a b l e i nt h i sw o r k , b a s e do ns u m m a r i z i n gt h eb a c k g r o t m da n d d e v e l o p m e n to fm i c r o r i n gr e s o n a t o r , t h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o na sw e l la st h ed e s i g n a n df a b r i c a t i o n a r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y f u r t h e r m o r e ，t h e a p p l i c a t i o no fat u n a b l et h e r m o o p t i c a lf i l t e ru s i n gs i l i c o nb a s e dm i c r o r i n gr e s o n a t o r i sp r e s e n t e da n di n v e s t i g a t e d t h ed e t a i l sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t d e v i c e s 、析t hlo i t md i a m e t e rw e r es y s t e m a t i c a l l yc h a r a c t e r i z e da n du s e d i nt h ed e s i g n b yu s i n gam i c r o h e a t e rl o c a t e do nt h eu p p e rl a y e r , t h er e s o n a n c e w a v e l e n g t ho ft h ed e v i c e sw a st u n e db yt h e r m a l l yi n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e e v e nt h r o u g ht h e s p e e do ft h e r m o - o p t i ct u n i n g i sm o d e r a t ec o m p a r e dw i t h e l e c t r o o p t i ca n da l l - o p t i ct u n i n g am u c hw i d e rt u n a b l er a n g ec a nb ea c h i e v e dw i t 量l s i l i c o n sh i g ht h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n t s e c o n d ，b yo p t i c a la n dt h e r m a ls i m u l a t i o n s ，t h ed e v i c ed e s i g na sw e l la st h e f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o nw a sv e r i f i e da n do p t i m i z e d t h em e a s u r e df s ro f m i c r o r i n gr e s o n a t o ri s 18n m ，a n dt h ef w h m i si nr a n g eo fo 1 - 0 2n mw h i l eqi s a r o u n d10 0 0 0 aw i d et u n a b l er a n g e ( 6 4n n l ) w a sr e a l i z e d 弼t l lt h et h e r m o o p t i c a l f i l t e r , w h i c he n a b l e sd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) w i t ha c h a n n e ls p a c eo f0 2 n m w i t hal o wp o w e rc o n s u m p t i o no f 11 9 m w n m ，t h et i m e i i i 目录 目录 第一章绪论1 第一节高速通信下电互连到光互连的转变1 第二节硅基集成光子学2 第三节集成光子学在d w d m 中的应用3 第四节硅基波长调谐4 第五节本论文的研究内容和结构5 第二章微环谐振腔6 第一节前言6 第二节具有标准结构的微环谐振腔模型7 第三节微环谐振腔的几个重要参数1 0 2 3 1 自由光谱范围( f s r ) 1 0 2 3 2 半高宽( f w h m ) 1 0 2 3 3 精细度( f ) 1 1 2 3 4 品质因素( q ) 1 1 2 3 5 光强增强因子( b ) 1 2 2 3 6 消光比( r ) 1 2 第四节微环谐振腔的波长调谐1 3 第五节微环谐振腔的热光波长调谐1 5 第三章热光调谐滤波器设计17 第一节调谐滤波器的光学设计1 7 3 1 1 波导尺寸1 7 3 1 2 微环半径1 9 3 1 3 微环波导与直波导间距1 9 3 1 4 包层厚度2 2 3 1 5 整体光学设计2 2 3 1 6 光学设计验证2 3 第二节波长调谐滤波器的热学设计2 5 i v 第五章滤波器特性研究及应用4 5 第一节分析装置4 5 第二节光谱响应的测量与分析4 6 第三节衬底温度控制下的波长调谐5 1 第四节基于微加热器的波长调谐5 3 第五节微加热器调谐下的时间相应5 5 第六节1x4 和4x4 结构的可重构型光开关6 2 第六章总结与展望6 8 参考文献6 9 致谢7 6 个人简历7 7 v 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀下匕 第一节高速通信下电互连到光互连的转变 当今世界正处在由互联网的高速发展所催生的信息时代，互联网的发展和 对计算能力的更高要求必然需要更宽的数据通信带宽。进入2 1 世纪以来，社会 对信息量的需求更呈爆炸性增长，这使得信息技术急需向更高带宽的方向发展。 目前通信系统容量已经达到t 量级，但电互连的r c 延迟使微电子芯片的响应 速度难以突破纳秒级的门槛，无法满足信息处理、传输和存储的需要。在最小 线宽低于0 1 8 斗m 的芯片中，采用低电阻率的c u 布线和低k 值的介电材料已经 不能有效的减少r c 延迟。高集成电路的发展，将使单位面积的电互联由 5 k m c m 2 剧增到2 0 k m c m 2 ，而金属层将由现在的6 层发展到l o 年后的1 2 层。 因此，随着信息产业迈向更高的带宽要求，电互联的延迟将必然成为微电子技 术发展的“瓶颈”。为了缓解不断增长的成本压力，许多行业已经开始选择另觅 技术平台，来避免电互连领域的物理限制。对于那些需要长距离通讯和存储区 域网络的行业，转向光互连已经成了它们的首要选择【l 】。采用光互联将对提高 系统响应速率、交叉互联密度、信息处理速度和准确性，以及减少电磁波串扰、 能量损耗都是十分有利的。随着通信带宽的需求愈来愈高，可以预见，电互连 到光互连的转变将不可避免。 在光通信系统中，要想获得较宽的通信带宽，可以通过波分复用( w d m ) 技术得以实现。波分复用是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束， 沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的 通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某 种特定波长的光来传送，这就是一个光波通道。由于光纤系统标准的低光损耗， s ，c 和l 光谱波段通常被广泛应用于波分复用系统【3 l j 。该波段覆盖了 1 4 6 0 1 6 2 5 n m ( 一2 0 t h z 光纤带宽) 的波长范围，对于单根光纤其可以允许的总数 据率上限为2 0 t b p s 。随着零水峰光纤在市面上逐步投入使用 3 2 】，波长范围可将 继续扩展到1 2 6 0 n m 到1 6 2 5 n m ( - - 5 6 t h z ) 的范围。密集波分复用( d w d m ) 技术 使用相同的通信频段，但其光通道间距更为密集，以期达到较高的带宽效率。 第一章绪论 借助于光纤，由光放大系统放大的信息可以传输几千公里，甚至更远。相比较 于电子通信系统，光通信系统在高带宽与长距离上具有巨大的优势。 通信系统从电互连到光互连的转变强烈地受到系统成本的影响，传统的光 学元件相较于电子元件来说通常要昂贵得多，甚至有的价格是对应电子元件的 1 0 到1 0 0 倍。因此，降低成本对于电互连到光互连的这种转变来说显得尤为重 要。一个成本相对较低的光学部件对电子元件的替代，将会更快地催生通信系 统的这种转变，而硅基微环谐振腔正是在这一转变中有着重要作用的基本构件。 第二节硅基集成光子学 硅光子学是一门前景广阔的可有效降低光学通讯系统成本的前沿技术。在 过去的5 0 年间，伴随着电子工业的迅速发展，硅电子器件制造业在性能改进和 成本降低方面已经取得了长足的进步。为了紧跟摩尔定律所指出的半导体工业 步伐，即集成电路上的晶体管数量将大约每两年翻一番【3 3 】，越来越多的先进电 子设备制造技术被引进工业界。通过将硅光子学技术应用于科研和工业领域， 可以大大降低制造成本并促进性能提升和设备改进。 当今的集成光学器件市场大多基于i i i v 族半导体或平面光波电路( p l c s ) 。 基于p l c 的器件，其波导与包层折射率差较小，而且通常器件尺寸较大，集成 度不高。另一方面，与i v 族半导体相比，硅由于其成熟的制造工艺和潜在 的与c m o s 器件完全统一的集成性，在低成本、大规模的光电设备生产中占有 明显的优势地位。此外，绝缘体上硅( s 0 1 ) 在电子电路中的广泛使用也为光学和 光电集成电路中提供一个理想的平台，其热氧化层为系统提供了良好的光学和 电学隔离。硅基光子学将光子学和电子学两个领域紧密地联系了起来，不仅打 破了带宽的限制，拓宽了器件的设计范围，而且也提高了整个系统的功效。正 是由于其对带宽瓶颈的突破，并同时将大规模、低成本的半导体制造平台引入 进了光学领域，硅基光子学越来越成为近年来许多研究课题的重点，并已经取 得了重大进展。单片波导集成锗光探测器已经能够提供超过4 0 g h z 的带宽，在 1 5 5 0 n m 波段下的量子效率大于9 0 t 2 。，小尺寸、具有极低功耗的光调制器也已 经见诸于报道p j 。同时，自由光谱范围( f s r ) 大于6 0 n m 的硅基微环谐振腔也已 经设计并制作而成，这将更进一步有效地为集成光电系统提供波长选择和滤波 【4 】。 2 第一章绪论 第三节集成光子学在d w d m 中的应用 由于能提供高效的波长选择，集成光子学近年来已被广泛地应用于d w d m 系统中，而这样的滤波效果是在传统的光学滤波手段下难以实现的。特别是当 需要获得较窄的通带和较多的光波通道时，传统技术越来越难以获得理想的经 济效益。此外，随着信息发展对更多功能的需求，包括更宽的调谐范围、更多 的导出通道等，已经使得传统的体效应技术越来越跟不上时代发展的步伐，而 多功能性、高集成度和低功耗等则恰恰正是集成光子学自身所具有的长处和优 点。 可重构的光分插复用器( r o a d m ) 是下一代高效灵活的w d m 网络中极为 重要的一环p 4 j 。当今的w d m 网络主要使用固定的光分插复用器( o a d 蛐，也 就是说在该网络中使用的波长数目和它们的模式是固定的，且被预先决定的， 而这大大地限制了光网络的服务质量。缺乏灵活性以及缓慢的服务质量已经成 为未来建设动态服务网络所面临的主要挑战，因此，将r o a d m 与当今w d m 网络高效地集成到一起具有重要意义。r o a d m 的重构性通常可通过如下几种 技术得以实现，包括微机电系统【3 6 3 9 1 ，平面光波导【5 3 5 4 1 ，液晶f 5 5 】，以及波长 调谐滤波技术等【6 引。其中，微机电系统器件一般基于较为复杂的器件架构，而 且对制造工艺的要求较高。基于平面光波导的r o a d m 则通常使用阵列波导光 栅( a w g ) ，将不同波长的光波分配到不同的光通道，但这要求每一通道使用一 个单独的光开关。液晶方法依赖于传统的光学光栅来实现波分复用，因而往往 使得设备显得较为笨重。相较于其它这些方法，波长调谐滤波器由于其结构简 单、对具有较多端口数量的d w d m 系统扩展性好，而前景十分广阔。 除了在r o a d m 中的应用外，集成波长调谐滤波器还能应用于d w d m 光 网络中的其他方面。d w d m 技术领域的新进展已经开始对多波长光源提出要 求，同时也正试图将多波长发射器与多个分立激光器一起整合到w d m 系统之 中【8 引。但是，分立激光器与波分复用光源的结合将会导致封装成本的提高，同 时如何保证多个激光二极管与光纤之间的耦合也是一个巨大难题。已经证明， 将多个激光器整合为一个多波长激光器阵列是一个行之有效的方法，这对于减 少单位波长的成本消耗，进而减少封装成本来说都是十分可行的，同时它还可 最大限度地将光纤引线供给多个不同的光波波长使用【8 7 8 引。通过对波长调谐滤 波器进行多路复用，可以在单一增益介质条件下获得多波长激光光源【8 9 1 。 第一幸绪论 w d m 网络长期以来受整个网络系统所要求的特定波长的限制，这使得波 长误差可以容许的范围相对较小，应用波长调谐滤波器则可以完全放宽对波长 误差的这种限制凹9 1 1 。使用波长调谐滤波器，可以通过调谐在接收端获取所希 望的通道波长，并通过同步改变信号源波长获得的反馈来对此接收波长进行固 定。对于d w d m 系统来说，如果使用多波长信号源，集成波长调谐滤波器在 提高成本效益的同时，还可实现对多个波长信号的监控。 第四节硅基波长调谐 集成光子滤波器的波长调谐可以通过以下几种机制来实现：热光诱导折射 率变化【3 7 3 8 t6 9 7 2 1 ，电光效应【7 3 7 4 1 ，自由载流子注入引起的折射率变化【3 ，2 0 , 7 5 1 ， 微机电系统的电磁场微扰等【2 6 】。 在d w d m 网络的诸多应用( 如r o a d m ) 之中，当调谐速度不是考虑的主要 因素时，比如m s 量级的调谐速度即可，往往期望获得较宽的调谐范围，因此， 必然要求调谐过程具有相对较大的折射率变化。在如上提到的几种波长调谐机 制中，电光效应虽然具有很快的反应速度，但并不能产生较大的折射率变化。 相比较起来，由于自由载流子注入【3 】或双光子吸收【2 0 】所引起的折射率变化，其 变化幅度更小，且总是伴随着吸收，但是这一机制由于其较快的调谐速度，常 常被应用于光波调制。而基于m e m s 的方法则通常需要十分复杂的制造工艺来 支持。因此，应用热光调谐机制是一个较为合理的选择。 高热光系数( 1 0 4 k 量级) 的半导体材料包括硅，磷化铟和高折射率聚合物 等。对于前面提到的调谐应用来说，以硅作为材料最为理想。这是因为当以二 氧化硅作包层时，其与硅能形成较大的折射率差，因而能很好地将光束限制于 波导之中。对于聚合物来说，其折射率一般较低【7 6 1 ，通常难以形成较大的折射 率对比，从而也难以获得理想的f s r 和高集成度。而对于i i i v 族半导体如磷 化铟等，却又很难找到合适的可用作包层的低折射率材料，因而也同样难以取 得较低的损耗和较强的光束束缚能力。 近年来，以聚合物材料为基础，已在实验上通过热光效应获得了较宽的可 重构波长调谐范围( 9 4 n m ) t7 1 】。但是，这样设计出来的器件其折射率差较小，谐 振线宽相对较大( 约2 n m ) ，因而并不适合于在d w d m 系统中应用。通过对以 i i i v 族半导体为基础设计的器件进行自由载流子注入，却只能获得相对较窄的 4 第一章绪论 调谐范围( 约l n m ) t 7 5 j 。另外有报道显示，在以氮化硅为基础，二氧化硅作包层 的器件中，通过热光调谐，其波长调谐范围可达到3 - 4 n m 6 8 7 2 1 。2 0 0 6 年，由 x u a n 等人所作的初步研究表明，热光调谐能力可达0 1l n m 。c 的硅基集成滤波 器已经在实验上设计并制作成功【4 3 】。因此我们有理由相信，未来以硅基集成滤 波器为基础制作的新型器件，将可望获得更宽的调谐范围，例如最近已有报道 显示宽达2 0 n m 的调谐范围已经可通过实验获得【3 引。 第五节本论文的研究内容和结构 本论文的研究内容是设计一个可用于d w d m 系统的集成硅基波长调谐滤 波器。为了从带宽和成本两个方面提高效率，此调谐滤波器需达到以下重要指 标： l 、能够获得较宽的自由光谱范围( f s r ) 和相对较小的滤波线宽，从而获得数量 相对更多的光波通道； 2 、波长调谐范围应足够大，从而确保该滤波器能够覆盖更多的信道； 3 、能很好地与成熟的半导体制造设备及工艺兼容； 4 、良好的扩展性和紧凑的器件尺寸，能够满足密集集成的需要； 5 、低功耗。 本论文从设计、模拟、特性以及应用等诸多方面对基于硅基微环谐振腔的 热光调谐滤波器进行了深入细致的研究。第二章主要对微环谐振腔的工作原理， 包括波长调谐机制等进行了理论分析，第三章则分析研究了如何优化其器件设 计，设计过程主要从光学和热学两个方面进行考虑，第四章讲述了该器件的工 艺制作流程，第五章则详细研究了基于硅基微环谐振腔的滤波器特性和应用， 并将实验结果与理论模型进行了对比和分析，最后，第六章为总结和展望。 第二章微环谐振腔 第二章微环谐振腔 第一节前言 微环谐振腔是一种波长选择性光子器件，其最常见的应用是光学滤波。当 被用来进行滤波时，为了获得理想的滤波效果，微环谐振腔在器件设计方面具 有极大的灵活性。在本论文中，微环谐振腔被应用于d w d m 系统中的光分插 式滤波器。从本质上来讲，光学谐振腔是指这样一类光学元件，它在一些特定 的波长上可实现谐振，该波长被定义为谐振波长。在激发状态下，光波可以以 较小的衰减在光学谐振腔内往返来回传播。光学谐振腔按其光波反射形式可以 分为不同类型，有的在两个相对的反射镜之间来回传播，有的则以微盘、微环、 微腔或其他形式进行往复传播。在这些不同类型的光学谐振腔中，微环谐振腔 不需要反射面或光栅来提供光学反馈，因而特别适合于与其他光电元件的单片 集成。 微环谐振腔由一个封闭的光波回路组成，通常情况下这样的回路是环型或 轨道型的。当将这样一个光波回路置于一个紧邻的输入波导旁时，光波可以以 消逝波的形式耦合到光波回路中，并能沿着此回路继续传播。在光波满足传播 一周相位改变为2 兀整数倍时，随着在回路中的不断传播和干涉，光波实现谐 振，而不能满足此谐振条件的光波将沿着输入波导继续传播。 微环谐振腔被认为是目前实现光电集成不可或缺的重要一环，并已在过去 十年中得到广泛研究。通过微环谐振腔可以实现很多功能，如光学滤波器1 5 】、 光调制器【3 】、光分插复用裂6 l 、光学传感器【7 t 引、光色散补偿裂9 ，1 0 1 ，甚至激光 光源等【l 。随着近年来微制造与加工技术的进步，对硅基微环谐振腔的研究已 经成为一个十分活跃的科研领域。硅的折射率较高，具有很好的束缚光波的能 力，而这正是高集成度的光电集成和非线性光学所迫切需要的。超紧凑型的微 环谐振腔已经见诸于报道1 4 3 一。由于微环谐振腔具有紧凑的尺寸，在1 5 5 0 n m 波段左右甚至已经能够获得4 7 n m ( 5 9 t h z ) 和6 2 5 n m ( 7 8 t h z ) 的自由光谱范围， 这对于实现d w d m 系统所迫切需要的多光通道条件具有重要意义。 6 第二章微环谐振腔 第二节具有标准结构的微环谐振腔模型 对微环谐振腔的理论分析可运用十分成熟的振荡模型【5 6 1 和耦合模型【5 7 1 ，本 论文使用耦合模型。如图2 1 所示，一个微环谐振腔的标准分插模式由两个直 波导和一个环形波导组成。直波导可以通过定向耦合器以消逝波的形式耦合进 微环波导，或者也可通过多模干涉( m m i ) 耦合器来实现耦合。为了便于对该模 型进行数值分析，可提出以下假设使分析过程大为简化： 1 、此谐振腔只存在唯一的单向传播模式； 2 、只考虑一次极化； 3 、直波导与微环之间的耦合过程没有损耗； 4 、光波在微环中传播时，各种类型的损耗沿微环均匀分布。 l n 嗍p 饿 ，t h m u , z h p t r lp o r t 为鼍皇爱烹烹曼童量笺爱爱曼苎量量囊墨爱爱焉置墨翻岛 队婶p 蝴 a d dp o r t 图2 1 具有标准结构的微环谐振腔模型 如图2 1 所示，e i 、e t 、e d 和e a 分别表示i n p u t 波导、t h r o u g h p u t 波导、 d r o p 波导和a d d 波导端口处的归一化复波振幅，t l 、t 2 为传输效率，k 1 、l 【2 为上下两个耦合区的耦合系数。微环半径为r ，其内部传输因子为口，当内部 损耗为零时口= 1 ，表示复数共轭。因为两个耦合区是互补的，所以可得到如 下关系 蚓+ = 1 ( 2 1 ) 7 第一章微环谐振腔 蚓2 十h 2 = 1 ( 2 2 ) 对于图2 1 中上部的耦合区域，各参数间的相互关系可由如下矩阵来表示 = 匕烈乏) 心声牝x 坝2 1 i a 瓦e m ) 亿4 ， 其中q 表示模式传播过程中的相位变化 妒= 掣= 掣= 4 万2 n g 云 ， l 为微环周长，九为光波波长。折射率= a p l a k 表示波导系统中传播模 的有效群折射率，简称群折射率。它不同于模有效折射率= b l k ，本论文 会在后面的部分对其进行详细论述，在此将其简称为有效折射率。1 3 为传播常 为进一步简化模型，选择将e i 设定为1 ，并假定a d d 波导端没有光输入， e = 一e ：- i ( 2 6 ) 巨l = k + 巨2 ( 2 7 ) e ：= 仍扩巨。 ( 2 8 ) 易= 一- 口v 2 e j i 2 e r l 但9 ) 饬2 一砭。口”1 佗9 1 g l = 南 亿1 0 耻嵩刍 一 一l 疋。 k e 细 2 饬2 痧 ( 2 1 2 ) 张一器= 器亿 8 化。 在谐振条件下，( 伊一q 一0 2 ) = 2 n m ，m 为整数，有如下等式成立 一= 锵 一= 常学 一一= 黼 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 由等式2 1 8 可以看到，当下列两个条件都成立时，( 1 ) 口= 1 ( 内部损耗忽略 不计) ；( 2 ) = 蚓( 上下两个耦合区域对称) ，功率将完全从i n p u t 波导转移至d r o p 波导，也就是说易一一卯= 1 。在这样的情况下，t h r o u g h p u t 波导端功率为零。 然而在实际情况下，当微环中没有增益时，条件口= 1 不能成立。对于一个无源 微环谐振腔( 微环内没有增益) ，口的值总是小于1 。由等式2 1 9 可知，口= 1 是 t h r o u g h p u t 波导端获得零功率( 只一一= 0 ) 的必要条件。因此，只有当微环上 下两个区域耦合不对称时，才能将功率全部转移至d r o p 波导，也就是常说的 达到临界耦合条件。 9 从上式可以看到，f s r 与微环半径成反比。在通信等诸多应用中，往往要 求较大的自由光谱范围，以获得足够宽的通信带宽。因此，微环的半径应尽可 能地设计得较小。 2 3 2 半高宽( f w h m ) 微环谐振腔的另一个重要参数为半高宽( f w h m ) ，即当光谱强度为最大值 一半时的谐振宽度，也即3 d b 谐振线宽。由d r o p 波导表达式2 1 5 可得 ( ! 二! 垒) 【! 二! 垒l 二) 竺 ：三f( ! ：! ! ( ! 二垦i 二) 竺1 l + l t , 1 2i f 2 1 2 口2 2 1 1 , 1 1 , = 1 口- c o s ( t p 一日一砬) 2 【1 + l f l l 2l ，2 1 2 口2 2 1 t , l l t = l aj 令矽= 伊一旦- e , ，则有 l + l 1 2i 乞1 2 口2 2 1 , , l l t = l 口c o s ( 矽) = 2 ( 1 + k 1 2i f 2 1 2 口2 2 l t , l l t = l 口) ( 2 2 2 ) 当较小时，利用欧拉公式泰勒展开表达式中的前两项 c o s 纠一譬 亿2 3 ) l o 在弱耦合情况下( r 1 ) ，根据石2 + f 2 = 1 ，t 1 ，可得 f 删：2 互艘：坚 ( 2 2 7 ) 2 7 r 冗n ，l 半高宽或3 d b 线宽被广泛使用于对描述光源线宽。 2 3 3 精细度( f ) 微环谐振腔的精细度( f ) 定义为自由光谱范围f s r 和半高宽f w h m 的比值 f = 而f s r = 万专车( ) 2 2 8 一= 一= 7 r 屠i - 、7 f w h m 、一t 2k 一 自由光谱范围相同时，具有高精细度的谐振腔其光谱谱峰更为尖锐。 2 3 4 品质因素( q ) 对于谐振腔来说，品质因素是一个极为重要的参量，有o n t 两种不同的方 式来对其进行定义5 9 1 。一般来说，品质因素q 被定义为光波在谐振腔中传播一 周，存储于其中的能量与传播过程中能量损耗的比值 d ：2 万e s t o r e d p e r c y c l e ( 2 2 9 ) e 出i 唧e 扭r c y d e 第二种定义方式为 第二辛微环渚振腔 d ：缸丝：墨：竺色上：型f ( 2 3 0 ) 埘 f w h m丸、一t 1丸 品质因素q 是表征谐振峰尖锐程度的一个衡量手段，对于具有更高q 值的 谐振腔，其谐振频率处峰值更高，且谐振频率附近的频率范围更小。因此，具 有更高q 值的谐振腔，其频率选择性更高，因而更便于我们将光谱中不需要的 信号过滤掉。由式2 3 0 可知品质因素与精细度成正比。 2 3 5 光强增强因子( b ) 传送进微环谐振腔中的光波，其光强将大大高于直波导中输入光波的光强， 这是因为谐振条件下光波在微环中传播，将在连续干涉的情况下幅度不断增强。 除光强外，每传播一周光场相位改变2 万的整数倍。如图2 1 ，光强增强因子( b ) 可表示如下 在谐振条件下 曰：阱： i 互i b = ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 假定谐振腔没有内部传输损耗( a = 1 ) ，上下两个区域耦合对称且均满足弱 耦合条件( k = 屹= k 1 ) ，则b 可简化为 b ：气1 ：一f k 冗 正是由于微环波导较之于直波导可获得更高的光强， 泛应用于许多非线性光学器件之中。 2 3 6 消光比( r ) ( 2 3 3 ) 因而微环谐振腔可广 微环谐振腔的另一个参量为消光比r ，它是在谐振条件和非谐振条件两种 情况下d r o p 波导功率的比值，通常以d b 来表示。为了在通信中获得更低的误 码率( e b r ) ，需要微环谐振腔具有更高的消光比。 1 2 第二章微环谐振腔 第四节微环谐振腔的波长调谐 一个光学谐振腔可通过多种不同的方式进行调谐，在前面对微环谐振腔模 型理论分析的基础之上，波长调谐可以通过调整以下几个参数来实现：内部传 输因子( 口) ，功率耦合效率( 髟2 ) 以及群折射率( 刀。) 。内部传输因子( 口) 可通过电 吸收【1 2 1 、增益微调旧和金属吸收【1 4 1 等手段来变化，功率耦合效率( r 2 ) 的改变常 常被应用于光带宽调谐2 4 1 中，它可通过马赫增特- t - 涉仪( m z i ) 2 5 1 ，微机电系统 ( m e m s ) 【2 砚9 1 和微流体【3 0 1 等多种途径来实现。波长调谐通常是通过改变群折射 率刀。来完成，热光效应【1 5 1 7 1 ，电光效应【1 8 1 和载流子注入是改变群折射率常用 的几种方法。此外，波长调谐还可以通过调整腔长来实现【2 1 2 3 1 。 假定上下两个耦合区域对称的( r = k = 砭，t = = t 2 ) ，耦合所导致的相位 变化可忽略不计( 痧= 伊一日- 0 2 缈) ，式2 1 5 可以简化为 。( - - i f l 2 ) 2 口 另2 两磊专菥而( 2 3 4 ) 由式2 5 可得，当波长九接近谐振波长凡时 c o s s ( 掣 仁3 5 ， 对微环谐振腔光谱响应的模拟分析可详见参考文献【5 承4 0 l 。为了显示出不同 调谐方式对微环谐振腔光谱响应的影响，可通过固定其他参量，对谐振腔的某 一特定参数进行调谐来实现进行。将2 3 5 式代入2 3 4 ，d r o p 波导端功率可表 示为口，r 2f f 2 = 1 一r