（微电子学与固体电子学专业论文）硅基周期波导微腔集成光器件的研究.pdf

摘要 硅基光子学在近几年来得到飞速的发展，它被认为是最具实用前景和发展潜力的集成 光技术。一方面，人们对硅的认识和利用的历史较为悠久。在半导体产业中，硅的制备、 加工技术非常成熟，这有利于使用现有的商用基础设施进行大规模量产，减小芯片开发的 成本。其次，由于在硅上制作光子器件的工艺兼容于标准c m o s 工艺，使其能够和已经十 分成熟的集成电路技术融合，实现在单一芯片上集成所需的各种功能。当然，在制作硅有 源光器件如激光器、探测器等方面还存在一定困难，但最近的研究表明可以通过键合技术 或外延生长等技术来弥补硅材料在这几方面的不足。绝缘层上硅( s o i ) 是一种较理想的高 折射率对比的材料平台，这对于减小光器件的尺寸非常有利。但是，由于光波导器件受限 于衍射极限，典型的传统光波导器件比同一硅衬底上集成的电子器件的尺寸大的多。9 0 年 代初提出的光子晶体技术可以有效的实现波长甚至亚波长量级的光子器件，这为大规模光 子器件的集成提供了一种极具潜力的技术方向。在s o i 平台上利用现有加工技术最容易制 作的光子晶体器件包括二维周期结构的光子晶体平板和一维周期结构的周期介质波导。通 过在这些结构中引入线缺陷或点缺陷，就可以形成光子晶体波导组件或光子晶体微腔，在 这基础上可以构建尺寸极紧凑的各种功能器件。与平板光子晶体微腔相比，周期介质波导 微腔通常结构更加紧凑，模式体积更小，而且更容易加工实现。 本文基于s o i 材料平台，对极小模式体积( y ) 一高品质因子( q ) 硅基周期波导微腔的结构 设计、优化及基于该类型微腔的器件进行了较广泛的研究，并在实验上进行了一些初步的 探索和尝试。主要的研究内容包括以下几个方面： 1 从平板波导的麦克斯韦方程解出发，推导了对称和非对称平板波导模式限制的极限 即最小导模模场尺寸，给出了最小模斑的尺寸及其波导尺寸条件的公式。该部分的结果为 后继章节研究亚波长模式体积的波导微腔提供一个理论参考，对于大规模集成波导阵列的 设计亦有一定指定意义。 2 提出和分析了一种基于混合表面等离子波的周期介质波导微腔。利用混合表面等离 子波导深亚波长的模式限制以及低损耗的特性，设计出q 值超过2 0 0 0 的波导微腔，且实现 了q y 值1 1 倍的提升。据我们所知，本文得到的q 值是目前见诸报道的表面等离子波微腔 i i i 浙江大学博士学位论文摘要 中最高的。 3 提出和分析了一类基于狭缝和空芯波导的高q 值低模式体积的低折射率周期波导微 腔。由于该结构完全基于介质材料，没有如第二章所研究的混合表面等离子波导微腔所具 有金属本征吸收损耗，因此这种低折射率芯的全介质波导微腔可以获得q 值超过1 0 5 或更 高，模式体积为1 0 - 2 ( a 2 n ) 3 数量级。 4 提出和设计了一种基于周期介质波导微腔的超紧凑通道下载滤波器。使用时域耦合 模理论分析了该滤波器响应特性，推导出实现完全下载以及入射端口无反射的条件。有限 差分时域方法计算表明下载效率超过9 9 ，典型的器件尺寸仅为7 肛m 或1 4 肛m 。 5 针对本文提出的周期波导微腔器件结构，采用电子束光刻结合感应耦合等离子刻蚀 等加工工艺，在s o i 平台上初步制作了一些基本的波导微腔结构，采用垂直光纤一光栅耦合 测试系统对其进行了频谱测试，对本文提出的器件的原理性验证进行了有益的尝试和探 索。 本文的研究主要集中在理论分析和器件设计方面，在实验方面只进行了初步的研究积 累。作者希望在后续的工作中能够利用实验条件对所提器件进行充分验证，并期望能为超 紧凑规模集成光路提供一类基本的波导微腔组件。 关键词：硅基光子学，光子晶体，周期介质波导，光学微腔，滤波器，模式体积，品质因 子 i v a b s t r a c t s i l i c o np h o t o n i c si sr e c e n t l yf a s td e v e l o p e da sap r o m i s i n gi n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y o no n eh a n d ，i th a sb e e nal o n gh i s t o r ys i n c ep e o p l e1 e a m e da n du t i l i z e ds i l i c o n i n s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y ，m ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l et e c h n o l o g yf o rp r e p a r a t i o na i l df a b r i c a t i o no f s i l i c o nd e v i c e si sv e r ym a t u r e ，w h i c hi sb e n e 矗c i a lt om a s sp r o d u c t i o no fs i l i c o np h o t o n i cd e v i c e s w i t hal o w e rc o s t 0 nt h eo t h e rh a n d ，t h es i l i c o np h o t o n i cd e v i c e sc a nb ei n t e g r a t e dw i t l lt h ew e l l d e v e l o p e dc o n v e n t i o n a le l e c t r o n i cd e v i c e si nam o n o l i t h i cs u b s t r a t e ，m a l l k st ot h e i rc o m p a t i b i l i 够 w i t ht l l es t a i l d a r dc m o sf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ep h o t o n i cd e v i c e sa i l de l e c t r o n i cd e v i c e sc a n b em e r g e di ns u c haf a s h i o nt oa c h i e v ed i v e r s ef u n c t i o n st h a tt h e yw o u l dm e e tt 1 1 ei n c r e a s i n gd e m a i l df o rh i g h e rs p e e da i l dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n a 1 t h o u 曲s i l i c o ni sn o ta j li d e am a t 嘶a l f o rr e a l i z i n gt h en e c e s s a r ya c t i v ed e v i c e se g 1 a s e ra n dd e t e c t o r r e c e n ts t u d i e sa d d r e s s e dm e s e p r o b l e m su s i n g t l l ec h i p b o n d i n go re p i t a x yg e n n a n i u mt e c h n 0 1 0 9 y s i l i c o n o n i n s u l a t o r ( s o i ) i sal a r g e i n d e x c o n t r a s tm a t e n a lp l a t f o mw h i c hi sv e r yh e l p f u l f o ra c t l i e v i n gu l t r a s m a uf o o t p r i n t h o w e v e r t h ec o n v e n t i o n a ls i l i c o np h o t o i l i cd e v i c e sa r em u c h l a r g e rm a i lt 1 1 e i re l e c t r o n i cc o u m e 印a n st r a l l s i s t o r s ，b e c a u s et h em i n i m u m s i z eo ft r a d i t i o n a lp h o t o n i cc o m p o n e n t si sb o u n d e db yt h ed i 仃r a c t i o nl i i i l i t p h o t o n i cc r y s t a lp r 叩o s e di nt l l ee 矾y9 0 s ， p r o v i d e sap r o 血s i n ga l t e m a t i v et e c h n o l o g yf o rr e a l i z i n gw a v e l e n g t h s c a l e o rs u b w a v e l e n g t l l 。s c a l e p h o t o n i cc o m p o n e n t s t h em o s ta c h i e v a b l ep h o t o n i cc r y s t a ls t m c t u r e si m p l e m e n t e do ns o i a r e p h o t o n i cc r y s t a ls l a b sa i l dp 嘶o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e s i n 仃o d u c i n g l i n e a ra n dp o i n td e f e c t si n s u c hp h o t o n i cc r y s t a ls t m c t u r e sw i l lp r o d u c es oc a l l e dp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e sa i l dc a v i t i e s ， w h i c hc a i lb ef u r t h e rd e s i g n e dt 0f 6 mv a r i o u sf u n c t i o n a ld e v i c e s c o m p a r e dw i t ht h ep h o t o n i c c 巧s t a ls l a bc a v i t i e s ，p e r i o d i cw a v e g u i d ec a v i t i e sh a v et h ea d v a i l t a g e so fu l 廿a c o r n p a c tf o o t p r i n t ， s m a l l e rm o d ev o l u m ea 1 1 de a s yt of 如r i c a t ea n di m p l e m e n t t h i ss t u d yi n v o l v e st h ed e s i g n ，o p t i m i z a t i o n ，f 曲d c a t i o na j l dc h a r a c t e r i z a t i o no fu l 仃a s m a l l y h i g h qn a j l o b e 锄p h o t o n i cc r y s t a lc a v i t i e s o u rw o r k i n c l u d e sm a i n l yt l l ef 0 1 l o w i n gf i v ep a n s ： 1 b a s e do nt h em a x w e us 0 1 u t i o n s0 fat h r e e l a y e rs l a bo p t i c a lw a v e g u i d e ，w ed e r i v e dt 1 1 e v 塑望莶堂堡主堂垡丝茎 垒里兰里! 垒里 c o n d i t i o nf o rm em o d ec o n 丘n e m e n tl i i i l i to fs y i i l 】m e t r i ca j l da s y i i l 】m e t r i ct r i - l a y e rs l a bw a v e g u i d e s t h er e s u l t so ft h i sp a n p r 0 v i d e sat h e o r e t i c a lb a s e l i n ef o re n g i n e 舐n gs u b w a v e l e n 百hm o d ec o n f i n e m e n tc a v i t i e s ，a n da l s oc o n t r i b u t e st h ed e s i g no fu l t r a c o m p a c tw a v e a r r a y 2 w 色p r o p o s e da i l da 1 1 a l y z e dah i 曲一qn a i l o b e a mp e r i o d i cw a v e g u i d ec a v 时b a s e do nh y b r i d p l a s m o n i c p h o t o n i cp e r i o d i cs 仃u c t u r e d u et ot l l ed e e p - s u b w a v e l e n g mm o d ec o n f i n e m e n ta n d l o w l o s sc h a r a c t e r i s t i c so fh b y d p l a s m o n i c p h o t o n i cw a v e g u i d e ，t h ed e s i g i l e dn a n o b e a mc a v i t y s h o w sa h i 曲一ql a 略e rm a n2 0 0 0a i l d1 1t i m e si m p r 0 v e m e n to fm eq y a sf 打a sw ek n o w t h eq f a u c t o ra c h i e v e di nt h i sw o r ks t a n d sf o rt h eh i g h e s tv a l u ei ns u c hs i m i l a rp l a s m o n i cc a v i t yw i ms o s m a l lm o d ev o l u m e 3 w 色p r o p o s e da 1 1 di n v e s t i g a t e da l l d i e l e c t r i cu 1 廿a s m a l l ya j l du l t r a l l i g h qn a j l o b e a mp h o t o n i cc 叮s t a lc a v i t i e sb a s e do ns l o t t e da i l dh 0 1 l o w c o r ep 嘶o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e s b e c a u s em e s 仃o n gc o n f i n e m e n to fl o w i n d e xc o r ea n dt h ed i s c o n t i n u i 哆o fe l e c t r i cf i e l da tt h eb o u n d a r yo fs l o t o rh o l l o w c o r e ，q f a u c t o r sl a 玛e rt h a n1 0 5a n dm o i i ev o l u m ei nm eo r d e ro f1 0 2 ( 入2 n ) 3c a nb e a c h i e v e ds i m u l t a l l e o u s l y 4 w bp r o p o s e da n dd e s i g n e dt w ot y p e so fc h a n n e ld r o pn l t e r sb a s e do nt h en a n o b e 锄p h o t o n i cc r y s t a lc a v i t i e s u s i n gt l l et e m p o r a lc o u p l e dm o d e t h e o w ea n a l y z e da 1 1 dd e r i v e dm ec o n d i t i o n sf o rr e f l e c t i o n l e s sc o l n p l e t e d r o p p i n g f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a j nm e m o dv e r i f i e dt 1 1 a t t h ed r o p p i n ge f ! f i c i e n c yi sl a r g e rt h a n9 9 a n dt h et y p i c a l1 e n g t h e so ft l l e s et w o t y p e6 1 t e r sa r eo n l y 7 肛ma i l d1 4 肛m 5 u s i n ge l e c t r o nb e 锄l i t h o g r 印h y ( e b l ) a n di n d u c e dp l a s m o ne t c h i n g ( i p c ) ，w ef a b r i c a t e d s o m eb a s i cn a i l o b e a mc a v i t i e sc o m p o n e n t so ns o ip l a t f i o m 7 1 1 l e s es i l i c o nn a n o b e 蛐c a v i t i e s w e r ec h a r a c t e r i z e db ys c a n i l i n ge l e c t r o nm j c r o s c o p ya n d v e n i c a l 曲e r g r 撕n gc o u p l i n gt e s ts y s t e m 1 1 1 e s ep r e l i n l i n a r ye x p e r i m e n t a lw o r kp a v e st h ew a yf o r 1 e 胁h e rs t u d yi nt h ef u n 鹏 t h ew o r ko ft l l i sm e s i sm o s t l yf o c u so nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p o n e n t sd e s i g n ，a i l do n l y af e we x p e r i m e n t a lw o r kw e r ec a m e do u t t h ea u t l l o rh o p e sm a tt h ep r o p o s e dc o m p o n e n t sc a j l b ew e l 】v 谢6 e di nt h ef u t u r ee x p e r i m e n t a 】s t u d ya n dc a nc o n t r j b u t et 0t h e u l 仃a c o m p a c tp h o t o n i c c o r i l p n e n t sf o rf u t u r el a 唱es c a l ep h o t o n i ci n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：s i l i c o np h o t o n i c s ，p h o t o n i cc 巧s t a l ，p e r i o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e ，叩t i c a lc a v 咄c h a i l n e ld r o pf i l t e r m o d a lv o l u m e ，q u a l i t yf a c t o r v i 致谢 三年以前，我有幸来到美丽的求是园，继续我的求学之路，感受这“大不自多，海纳 江河，惟学无际，际于天地”的浙大底蕴。在论文即将完成之际，我感到是那么的依依不 舍，诸多感慨，难以言表。借此机会感谢在我求学生涯中帮助和支持过我的老师，同学， 亲人和朋友们。 首先，感谢我的导师王明华教授。王老师德高望重，知识渊博，治学严谨，淡泊名 利，数十年如一日奋战自己所钟爱的集成光学事业，是我们一生的榜样! 王老师更是一位 心灵导师，他的讲话和报告生动丰富，鼓舞人心，激发我们的正能量! 感谢导师杨建义教授。杨老师思维敏捷、视野开阔、行事果断。在学习研究中，杨老 师给了我最大的自由度，鼓励我们要敢于挑战困难，耐心指导我修改实验方案，帮助我们 找到问题的症结所在。导师在科学研究上灵活而不失严谨、思想开放的风格将使我受益终 身! 感谢江晓清教授。江老师理论功底扎实、知识渊博、高屋建瓴，经常为我们介绍科研 前沿的信息，指引我们寻找和确定新的研究方向，为我们的创新和科研持续性注入活力。 感谢实验室的郝寅雷、周强、李宇波、张国荣、朱月莲等老师对我的帮助和指导! 感谢在学习科研中给我提供帮助的兄弟姐妹们。感谢已毕业的祁彪博士在理论研究方 面的指点和讨论，感谢在数值计算方面富有经验的徐超提供的帮助。难忘和祁彪、胡挺、 邱晖晔、邱晨、邵海峰、沈奥、徐超等同学在学术上的讨论。感谢胡挺、邱晨、沈奥、邱 晖晔、裴重阳等同学在实验测试、器件制作中的诸多帮助和指导! 感谢和我一起度过许多 欢乐时光的同学们：赵勇、王皖君、魏玉欣、陈伟伟、陈瑞宜、白刃、涂国辉、郑斌、郭 伟峰、彭志鑫、董少杰、唐树明、肖熠、杨冰、周建雄、杨龙志、鲁虹伟、骆康城、潘宏 彬、张滨、张文、王国强、宋少鸿、石伟丞、李霞、钟滕慧、赵昌云、檀亚松、金亿昌、 李燕、万玉娟，马镶等。 感谢寝室好友章喜昌、李冰、杨志勇，肖威等，是你们让我的学习之余的生活更加丰 富、愉悦。 浙江大学博士学位论文 致谢 特别感谢辛勤养育我的父母，是你们默默的支持和鼓励让我在遇到困难时永不言弃。 感谢我的妻子葛芳芳的理解和支持，你对我的论文也提供了许多建议和帮助。感谢儿子 喻醅力，你的降临让我感觉这个世界的美好，使我艰辛的博士生涯充满快乐! 感谢所有关 心、支持我的亲朋好友们! 最后感谢参加论文评审和论文答辩的各位专家! 在浙大求是园生活的三年多时光，必将是我这一生美好的回忆! i i 插图 1 1 i i l t e l 公司关于硅光子技术的景愿图 3 1 2平板光子晶体结构示意图 1 1 ( a ) 柱形平板结构( b ) 孔形平板结构 4 1 3 周期介质波导结构示意图【1 1 ( a ) 孔型( b ) 柱形( c ) 光栅型 5 1 4孔型周期介质波导的色散关系 1 】m 为t m 1 i k e 模，e 为t e l 龇模 6 1 5 集成光器件测试常用的四种将光耦合至片上的方式1 5 2 1 三层平板波导结构示意图( a ) 对称平板波导( b ) 非对称平板波导一1 9 2 2t m 模与t e 模的光最小光斑尺寸的比较( 定义一) 2 2 2 3聊模与t e 模的光最小光斑尺寸的比较( 定义二) 2 3 2 4 非对称三层平板波导中光斑尺寸随波导尺寸的变化2 4 2 5 非对称波导t e 模最小光斑尺寸与的关系一2 5 2 6 非对称波导t e 模最小光斑尺寸与6 的关系2 6 2 7 非对称和对称波导t e 模最小光斑的比较一2 6 3 1微腔模式能量随时间的阻尼衰减振荡3 0 3 2 光学微腔谐振模式的光谱线型3 l 3 3 金属表面等离激元波示意图3 1 3 4 混合表面等离子激元周期波导示意图3 3 3 5 混合表面等离子激元周期波导的归一化能带结构( t m 模) ， 2 = 5 0 n m 。一3 3 3 6 混合表面等离子激元周期波导微腔示意图3 4 3 7 混合表面等离子激元周期波导微腔的q 值及谐振波长随腔长s 的变化3 5 3 8 混合表面等离子激元周期波导谐振模的模场分布，( a ) 一( c ) h 2 = 5 0 n m ( d ) 一( f ) 2 = 0 。3 5 3 9 q n 6 s 、q ，口d 以及总q 僦随二氧化硅层厚度7 l 2 的变化，s = 1 0 0 钆m 。一3 6 3 1 0 模式体积y 及q y 值随二氧化硅层厚度 2 的变化，s = 1 0 0 n m 。3 7 v i i 浙江大学博士学位论文 插图 4 1 不同类别光学微腔及其典型q 值及y 值比较 2 1 4 0 4 - 2r 0 b i n s o n 提出的微腔中央带狭缝的周期波导微腔及其模场分布4 1 4 3 六角品格光子晶体平板结构及其包层光线锥示意图4 2 4 4 高斯分布模场及非高斯分布模场的实空间及尼空间分布图。蓝色区域为泄漏 i 乏! 。4 3 4 5l 3 型平板光子晶体微腔及其优化结构的实空间和南空间模场的分布图4 4 4 6 垂直狭缝波导和空芯波导的t e 模场( 玩) 分布。波导材料为硅，包层为空气， 波导宽和高分别为4 8 0 n m 和2 8 0 n m 。4 5 4 7 水平狭缝和空芯波导的聊模( 玩) 分布。波导材料为硅，包层为空气，波导 宽和高分别为4 8 0 n m 和2 8 0 n m 。4 5 4 8传统周期波导微腔、狭缝周期波导微腔和中空芯周期波导微腔的结构示意图4 6 4 9 狭缝宽度对连续( 不连续) 狭缝波导微腔的q 值的影响4 8 4 1 0 狭缝宽度对连续( 不连续) 狭缝波导微腔的y 值的影响4 8 4 1 1 微腔中央最邻近两小孔间距s 对连续( 不连续) 狭缝波导微腔的q 值的影响4 9 4 1 2 微腔中央最邻近两小孔间距s 对连续( 不连续) 狭缝波导微腔的y 值的影响4 9 4 1 3 中空芯区宽度及高度对连续中空芯波导微腔q 值的影响5 0 4 1 4 中空芯区宽度及高度对连续中空芯波导微腔y 值的影响5 l 4 1 5 中空芯区宽度及高度对不连续中空芯波导微腔q 值的影响5 1 4 1 6 中空芯区宽度及高度对不连续中空芯波导微腔y 值的影响5 2 4 1 7 中空芯波导微腔的q 值随s 的变化5 2 4 1 8 中空芯波导徼腔的y 值随s 的变化5 3 4 1 9 传统周期波导微腔、狭缝周期波导微腔和中空芯周期波导微腔的模式( b ) 分 布图( t e 1 i k e ) 5 4 4 2 0 传统周期波导、狭缝周期波导和中空芯周期波导的光子能带结构图5 4 4 2 1 基于渐变狭缝宽度的极小y 狭缝波导微腔结构示意图5 5 4 2 2 周期介质波导的能带结构图5 6 4 2 3 小孔半径为0 2 4 0 不同狭缝宽度的狭缝周期波导的能带结构图5 6 4 2 4 小孔半径为0 2 6 n 不同狭缝宽度的狭缝周期波导的能带结构图5 7 4 2 5 小孔半径为o 2 8 0 不同狭缝宽度的狭缝周期波导的能带结构图5 7 4 2 6 品质因子q 、谐振波长及模式体积y 随狭缝长度( 周期数) 的变化。7 = 0 2 6 0 ，训l = 8 0 仡m ，训2 = 4 0 礼m 5 9 v i i i 浙江大学博士学位论文 插图 4 2 7 渐变狭缝周期波导微腔的谐振模式的典型模场( e 。) 分布。：1 2 ，训1 = 8 0 r = 0 2 6 0 5 9 4 2 8 品质因子q 、谐振波长及模式体积y 随狭缝长起始宽度叫1 的变化。叫2 = 4 0 n m = 2 0 6 0 4 2 9 品质因子q 、谐振波长及模式体积y 随狭缝长起始宽度加，的变化。训。= 4 0 n m = 1 5 6 1 4 3 0 品质因子q 、谐振波长及模式体积y 随狭缝长起始宽度叫1 的变化。叫2 = 4 0 n m = 1 0 6 2 5 1 基于单个周期波导微腔的通道下载滤波器模型( 类型一) 6 6 5 2 基于双周期波导微腔的通道下载滤波器模型( 类型二) 6 7 5 3 基于周期介质波导微腔的滤波器结构示意图( a ) 类型一( b ) 类型二7 1 5 4周期介质波导t e 模的色散关系。7 = 0 2 8 n ，训。= 1 1 6 3 0 ， = 0 5 1 2 n 。7 2 5 5 周期介质波导微腔q 值随s 的变化。r = 0 2 8 0 ，训。= 1 1 6 3 a ， = 0 5 1 2 n 。7 3 5 6 周期波导微腔的谐振模式也场量分布。s = 1 3 4 几仇，q 1 3 1 0 7 。7 3 5 7 下载微腔及其与总线波导、下路波导之间的耦合结构7 4 5 8 下载波导微腔各耦合通道q 值随p d 的变化关系7 5 5 9 滤波器在满足能量耦合条件且无反射反馈时频谱响应7 6 5 1 0 第一种类型滤波器谐振频率处下载效率以及反射随d 的变化7 6 5 1 l 第二种类型滤波器最大下载效率及最大反射随d 的变化7 7 5 1 2 滤波器的频谱响应( 类型一) 7 8 5 1 3 滤波器的频谱响应( 类型二) 7 8 5 1 4 类型一和类型二滤波器处于下载和反射( 直通) 态的稳态模场( 见) 7 9 6 1 测试系统的原理图8 1 6 2 光纤一光栅垂直耦合测试系统的实物图( 浙江大学集成光电子实验室) 8 2 6 3m e 流片所设计的平面光子晶体器件版图8 3 6 4 光子晶体方向耦合器的版图及实验s e m 照片一8 3 6 5 光子晶体y 分叉波导的版图及实验s e m 照片8 4 6 6采用e b l 在波导上制作空气小孔测试8 5 6 7 第一次采用e b l 制作波导耦合光栅8 6 6 8第二次采用e b l 制作波导耦合光栅8 7 i x 浙江大学博士学位论文 插图 6 9第一次制作的光栅在1 5 2 0 n m 1 5 7 0 m 范围的耦合效率 6 1 0 第二次制作的光栅在1 5 2 0 n m 1 5 7 0 n m 范围的耦合效率 6 1 1 直接耦合狭缝周期波导微腔的s e m 照片 6 1 2 波导直接耦合周期狭缝波导微腔的传输谱 6 1 3 侧向耦合周期波导微腔的s e m 照片 6 1 4 侧向耦合周期波导微腔的传输谱 6 1 5 基于周期波导微腔的滤波器的s e m 照片 6 1 6 基于周期波导微腔的滤波器的传输谱 6 1 7 侧边波导耦合的空气桥周期波导微腔 6 1 8 侧边波导耦合的空气桥狭缝周期波导微腔 x 踞 踞 叽 吆 鸲 鳄 舛 鳄 鳄 表格 1 1 已报道的周期波导微腔的结构性能参数总结，d 为周期孔直径，d m 饥为最小孔 直径，o 为晶格常数。 7 4 1 已报道的极小v 光学微腔与本文的比较 4 2 传统周期波导、狭缝周期波导和中空芯周期波导的结构参数表( o 为晶格常数) 6 1新加坡微电子研究院2 4 8 n m 紫外光刻最小特征尺寸表 6 2 狭缝周期波导微腔的设计尺寸与实测尺寸的比较( 单位：n m ) 6 1 3 周期介质波导微腔的设计尺寸与实测尺寸的比较( 单位：n m ) x i 4 2 5 5 8 1 8 9 9 1 缩写、符号清单、术语表 q 一光学微腔的品质因子 y 一光学微腔的模式体积 i l 绪论 1 1引言 现代信息社会的典型特征是将计算机作为一种基本的而且广泛使用的生产工具。计 算机、因特网等信息技术极大的丰富和改善了人们生产生活的方式，而人们对海量信息 交换和处理的需求也日益增加。信息技术的发展是与电子技术紧密相关的，自从1 9 5 8 年第 一块集成电路诞生，到如今i n t e l 、a m d 等推出的2 2 n m 工艺集成电路，其发展都大致遵循 着著名的摩尔定律 3 】：即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔2 4 个月 ( 1 9 7 5 年摩尔将2 4 个月更改为1 8 个月) 便会增加一倍，性能也将提升一倍。但如果按照这 种发展规律，如果不能解决能耗散热等问题，到2 0 1 5 年左右的集成电路芯片上的温度将高 得使芯片不能正常工作【4 1 。除了能耗问题以外，由于特征尺寸缩小导致的电互连寄生参数 影响更加严重，单个处理器的性能因而受到限制。通过增加处理器核心数量的方案被公认 为可以提高处理器的计算能力。但随之而来的是多核之间的电互连瓶颈问题，即在现有基 于金属导线的互连方案下，功耗、延迟、带宽等都无法予以解决 5 1 。 与集成电路相比，集成光路的概念的提出要晚几年。1 9 6 6 年，b e l l 实验室的m i l l e r 等 人 6 】提出使用光器件代替电子元件并集成到单块芯片上，可以完成集成电路同样的功能， 并且使用光作为信息载体具有速度快、能耗低、抗电磁干扰、信息容量大等优势。但是， 集成光路中所必需的光源、光纤等组件直到2 0 世纪7 0 年代才问世，这比电导线和电源的 问世要晚几百年时间。2 0 0 4 年初，i n t e l 、i b m 等业界巨头提出将光技术用于下一代高性能 并行计算中的互连方案 7 1 ，随后众多的科研机构、高校以及i t 企业都加入到这场技术革命 当中。实际上，由于上世纪激光的发明以及低损耗光纤拉制工艺的成熟使得光通信产业已 有长足的发展，即在长距离甚至短距离的机柜间和板级间通信已经有较成熟的光纤互连方 案，因而光技术也自然的被提出用于片上光通信和互连。 浙江大学博士学位论文 1 绪论 1 2 硅基集成光子学的发展 集成光学经过几十年的发展，理论研究成果相当丰富，并且逐渐从研究走向了某些应 用领域。比如基于铌酸锂、i v 族化合物半导体( i n 只g a a s ) 、玻璃等平台的集成光器件已 在长距离光通信中得到广泛应用。集成光技术要迈向实用化，一个关键的挑战是需要解决 功能可靠与低成本的问题。在微电子产业中，硅是一种物美价廉的材料，人们对硅材料的 认识也较深入，硅加工的基础设施和工艺也非常成熟。因此，如果采用硅作为集成光的材 料平台则可以实现大规模低成本的量产，即可解决成本问题 8 1 。但实际上，本征硅并不是 一种理想的光学材料，它是间接带隙半导体而不利于制作光源，没有p o c k e l s 效应而无法利 用该机制实现有效的调制 9 。但这并未阻止人们在硅上集成光的梦想。早在9 0 年代，s o r e f 等人在硅材料的电光性质等方面进行了大量实验研究 1 0 】，为硅光子学的研究奠定了宝贵 的实验和物理基础。在2 0 0 5 年前后，i n t e l 公司的刘安生、荣海生等人相继制作出世界上 首个基于硅载流子色散效应的g h z 调制器 1 1 】和基于受激拉曼效应的硅基激光器 1 2 。i n t e l 关于全硅激光器的突破重新点燃了人们关于硅化光子的愿景( 图1 1 ) 。i n t e l 、i b m 、c o m e l l 、 m i t 等研究机构和大学先后报道了速度超过5 0 g h z 的基于载流子色散效应的高速调制 器【”】，增益带宽积超过8 4 0 g 的锗硅探测器以及阵列开关模块等各种硅基有源无源光子器 件。2 0 0 7 年，l u x t e r a 推出了一款商用的4 0 g b s 的光收发模块 14 1 ，2 0 1 0 年，i n t e l 演示了速 率高达5 0 g b s 的硅光互连原型 1 5 。2 0 1 2 年，i b m 公司也推出了速度超过l t s 的用于高性 能并行计算的光互连模型 1 6 ，这标志着硅基集成光技术已接近或即将走向实用化。在国 内，中科院半导体所，微电子所，物理所，上海微系统所，北京大学、清华大学、浙江大 学、上海交大、南京大学、吉林大学等研究机构对硅基无源和有源集成光器件也进行了 大量研究 17 1 ，例如半导体所研制的硅基调制器 18 1 、片上光信号处理器【1 9 】和逻辑器件 2 0 1 ， 作者所在课题组研制的光开关、片上光路由器 2 1 2 3 】等已接近国际先进水平。此外，硅光子 学以及硅基集成光电子技术的国内专著也不断涌现 2 4 ；2 5 1 。 随着微纳光电子器件制作工艺水平的不断发展和单个光子器件性能的不断提升，从单 个组件向大规模集成光子组件的趋势已初现端倪。s m i t 等人 2 6 】最近撰文指出单片上光子 器件的集成度已显现出与电子器件发展初期类似的“光子摩尔定律”，预计单片上集成的 光子器件数目将会超过1 0 0 万个。t h y l e n ，m i l l e r 等人 2 7 ；2 8 亦提出，仅仅用于光互连的总 线光波导，都有每年成倍增长的趋势，未来几年中在单片上的波导数量将超过数千条。然 而，众所周知的是，光子器件尺寸受限于衍射极限，在硅材料中也就是受限于入n 咖事实 上，常见的硅光子有源或无源器件的尺寸都在数百微米甚至数十厘米，远远大于硅电子晶 体管，这在面临光子器件的大规模集成时器件尺寸问题将是一个无法回避的挑战。此外， 浙江大学博士学位论文l绪论 地眦s o l 腓e 2 jg 龋妇【j ；口i i f 酣霞_ 渣 h 嘲旧- 由鼬d 习1 洲c c 胁e 疗i 蛳 钟加刚叼m 艄 图1 1i n t e l 公司关于硅光子技术的景愿图 器件更小意味着更低的功耗和更快的工作速度。因此，寻求新的材料或提出新的超小尺寸 器件意义极其重大。例如，采用光子晶体器件【2 9 3 1 1 ，金属表面等离子波器件【3 2 已成为目 前几个重要的研究方向。 1 3 光子晶体的研究现状 1 3 1 光子晶体简介 类似于半导体中的禁带，光子带隙这个概念最早出现于1 9 8 7 年。光子晶体即是具有光 子带隙的一种折射率周期调制的低损耗人工材料。光子晶体除了具有光子带隙特性外，还 发现拥有表面态、超折射、自准直、高色散以及慢光等具有潜在应用的特性【1 ：33 。鉴于半 导体材料在电子信息产业中发挥的作用和重要地位，光子晶体自然也受到很大的关注，而 在硅材料上制作光子晶体集成光器件也是一个很热门的研究课题。 在硅光子晶体早期的实验研究当中，基于平面工艺的光子晶体平板( 图1 2 ) 和周期介质 波导( 图1 3 ) 得到了较多的发展。在这两类光子晶体结构当中，由于