（光学工程专业论文）基于平面光波导的耦合干涉型集成器件的研究.pdf

浙江大学博士论文 摘要 建立在乎面光波导技术之上的光器件，具有成本低、体积小、便于批量生产、 稳定性好及易于与其它器件集成等优点。目前，平面光波导集成光学元件已在通 信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。本文以基于平面光 波导技术的耦合干涉型光器件作为研究对象，在平面光波导的基本理论及设计 方法的基础上，提出并设计了一些新型的器件结构，利用平面光波导工艺制作了 一些器件并测试了其性能。 首先对平面光波导及其器件的模拟设计方法进行了研究。分析了用于求解光 波导模场的解析方法，对传统等效折射率方法进行了改进，从波动方程出发，通 过严格的数学推导，得到了一维等效折射率分布的表达式，这种方法具有比传统 等效折射率方法更高的精度，而且不受波导截止条件的限制，并适用于任意的折 射率分布结构。对平面光波导器件设计中常用的数值方法包括有限差分法，束传 播法，时域有限差分等进行了总结，给出了各种方法的基本原理，具体的求解步 骤等，利用这些数值方法可以得到光波导的模场分布，光波在器件中的传播特性， 器件的频谱特性等等。 然后分析了多模干涉耦合器垂直方向多模对器件的性能的影响，通过对输入 输出波导进行t a p e r 设计，可以减小垂直方向多模的激发，使得功分器的通道均 匀性，损耗等性能都得到改善。提出了深刻蚀s i 0 2 光波导结构，使得s i 0 2 波导 在小的弯曲半径下也能有比较小的弯曲损耗，分析了基于这种深刻蚀s i 0 2 波导 的多模干涉耦合功分器，与基于传统s i 0 2 波导的多模干涉耦合功分器相比不仅 具有较小的尺寸，同时性能也有很大的提高。 我们还提出了几种新的基于平面光波导的器件的实现方法。通过调整三明治 波导中间层s i x n v 的折射率以及多模波导的尺寸，成功实现了偏振不敏感的 1 3 1 0 1 5 5 0a m 波分( 解) 复用器。通过在多模干涉耦合器的多模区引入光子晶体结 构，利用光子晶体的偏振敏感特性( 即在某个波段，对一个偏振反射，而对另外 一个偏振则透射) ，实现了带宽很宽，尺寸超小的偏振分束器。利用光子晶体波 导方向耦合器的解耦合特性，通过方向耦合器的级联，设计了单纤三向器件，模 浙江大学博士论文 拟结果显示，这种单纤三向器件具有尺寸小，带宽较大的特点。 我们还总结了平面光波导器件的制作工艺流程，包括光刻技术( 电子束曝光) ， 反应离子刻蚀( r i e ) ，电感耦合型等离子刻蚀( i c p ) 等。通过优化气体配比，反 应功率等条件，得到了一组能提供小的表面粗糙度，高的垂直度的i c p 工艺配方， 同时还研究了i c p 刻蚀中的迟滞效应，并利用这种效应制作了尺寸超小的方向耦 合器。制作了光子晶体w 3 波导，光子晶体波导腔，利用e n d f i r e 方法对其特性 进行了测试，分析和讨论。最后还研究了干法刻蚀工艺中引入的损伤对光子晶体 有源区的载流子寿命的影响，为制作光子晶体光开关，激光器奠定了基础。 关键词：平面光波导，多模干涉耦合器，方向耦合器，光子晶体，光子晶体波导， 波分复用解复用器，偏振分束器，干法刻蚀，载流子寿命 i i 浙江大学博士论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a ld e v i c e sb a s e do np l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) t e c h n o l o g yh a v et h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g hr e l i a b i l i t y , p o s s i b i l i t yf o rl a r g es c a l ep r o d u c t i o n ，a n d p o t e n t i a li n t e g r a t i o nw i t ht h ep h o t o n i ca n de l e c t r o n i cd e v i c e s t h e s ed e v i c e sa r e 、i d e l ye m p l o y e di no p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，s e n s i n g ，d a t as t o r a g e ，i m a g i n g ，a n d s i g n a lp r o c e s s i n g t h i st h e s i si sm a i n l yd e v o t e dt os t u d ys o m ep l cb a s e dd e v i c e s ， i n c l u d i n gp o w e rs p l i t t e r s ，d e m u l t i p l e x e r , t r i p l e x e ra n dp o l a r i z a t i o ns p l i t t e r f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ew a v e g u i d ea n dt h es i m u l a t i o nm e t h o d sf o rp l c d e v i c e sa r ei n t r o d u c e d an o v e le f f e c t i v ei n d e xm e t h o di si n t r o d u c e dt or e d u c ea t w o d i m e n s i o n a ls t r u c t u r et oao n e d i m e n s i o n a lo n e t i l i sm e t h o dc a nb e i m p l e m e n t e df o ra r b i t r a r i l ys h a p e dw a v e g u i d e s a ne x p l i c i tf o r m u l ai so b t a i n e df o r t h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ，w h i c hi sd e t e r m i n e db yt h em o d a lf i l e da n dt h e c r o s s s e c t i o n a lr e f r a c t i v ei n d e xo ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r e s o m en u m e r i c a lm e t h o d s ， i n c l u d i n gf i n i t e d i f f e r e n c em o d es o l v e r , b e a mp r o p a g m i o nm e t h o d ，f i n i t e d i f f e r e n c e t i m e d o m a i nm e t h o da r ei n t r o d u c e dt oa n a l y s i st h em o d ep r o f i l eo ft h ew a v e g u i d e s ， a n dt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fl i g h ti nd e v i c e s m u l t i m o d ee f f e c t si nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nw h i c hw i l ld e g r a d et h es e l f - i m a g i n g q u a l i t yo fam u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ( m m i ) c o u p l e ra r ea n a l y z e d t a p e rs t r u c t u r e sa r e i n t r o d u c e da tt h ej u n c t i o nb e t w e e ni n p u t o u t p u tw a v e g u i d e sa n dm u l t i m o d er e g i o nt o s u p p r e s st h ee x c i t a t i o no ft h eu n d e s i r e dv e r t i c a l m o d e sa n dl o wi n s e r t i o nl o s s ( o 10 1d b ) ，s m a l ln o n u n i f o r m i t y ( 0 10 2 d b ) a r ea c h i e v e d d e e p l y e t c h e ds i 0 2r i d g ew a v e g u i d e sa r ei n t r o d u c e dt oam m ip o w e rs p l i t t e r t h e s t r o n g c o n f i n e m e n ti nt h el a t e r a ld i r e c t i o no ft h e d e e p l y e t c h e ds i 0 2r i d g e w a v e g u i d e si m p r o v e st h eq u a l i t yo fs e l f - i m a g e s i nt h em m is e c t i o n g o o d p e r f o r m a n c e ss u c ha sal o wi n s e r t i o nl o s s ，s m a l ln o n u n i f o r m i t ya r ea c h i e v e df o ra lx 4m m i p o w e rs p l i t t e ra n dt h et o t a ld e v i c es i z eo ft h ep r e s e n tm m ip o w e rs p l i t t e ri s r e d u c e dt oa b o u t1 1 6o f t h a tb a s e do ns i 0 2b u r i e dw a v e g u i d e s i i i 浙江大学博士论文 s o m ek i n d so fp l cb a s e dd e v i c e sw e r es t u d i e da n do p t i m i z e d ap o l a r i z a t i o n i n s e n s i t i v ed u a l w a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e r b a s e do ns a n d w i c h e dm u l t i m o d e i n t e r f e r e n c ew a v e g u i d e si s p r e s e n t e d f i r s t l y ，p o l a r i z a t i o n i n s e n s i t i v em u l t i m o d e w a v e g u i d e sa r ea c h i e v e db yc h o o s i n gas u i t a b l er e f r a c t i v ei n d e xo ft h es i n xm i d d l e r e g i o n b ya d j u s t i n gt h ew i d t ha n dl e n g t ho ft h em u l t i m o d er e g i o n ，t h ew a v e l e n g t h so f 1310n n la n d15 5 0n n la r e s e p a r a t e ds u c c e s s f u l l y t h r e e d i m e n s i o n a l b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o di su s e dt os i m u l a t et h ew h o l es t r u c t u r e al o w i n s e r t i o nl o s sa n da b r o a db a n d w i d t hc a nb ea c h i e v e da t1310a n d15 5 0 n mb a n d sf o rb o t l lp o l a r i z a t i o n s s i m u l t a n e o u s l y t w os t a g e so fd i r e c t i o n a lc o u p l e r sb a s e do np h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e sa r e c a s c a d e dt of o r ma nu l t r a c o m p a c tt r i p l e x e r t h es p e c i a ld e c o u p l i n gp r o p e r t yo ft h e p c w - b a s e dd i r e c t i o n a lc o u p l e ri su t i l i z e df o rt h ed e s i g n at a p e rc o u p l i n gr e g i o na n d a na d d i t i o n a ld i r e c t i o n a lc o u p l e ra l ei n t r o d u c e dt oa c h i e v eh i g l le x t i n c t i o nr a t i o sa n d r e d u c et h ec r o s s t a l kr e s p e c t i v e l y t h et o t a ls i z eo ft h ep r e s e n tt r i p l e x e ri so i l l y 5 0 1 a m x 2 0 i _ t m ，a n dt h eg o o dp e r f o r m a n c ei sv e r i f i e dw i t hf d t d s i m u l a t i o n an o v e lp o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e ri sr e a l i z e db yc o m b i n i n gm m i c o u p l e ra n da p h o t o n i cc r y s t a l t h ep cs t r u c t u r ei si n t r o d u c e di nt h em u l t i m o d es e c t i o no f t h em m i c o u p l e rw o r k i n ga sap o l a r i z a t i o ns e n s i t i v er e f l e c t o r o n ep o l a r i z a t i o ni sr e f l e c t e da n d t h eo t h e ro n et r a n s m i t st h r o u g ht h ep cs t r u c t u r e t h es i z eo ft h ep r o p o s e dp b si s r a t h e rs m a l ls i n c et h el e n g t ho ft h em m ir e g i o ni sn ol o n g e rn e e d e dt ob ei n t e g e r m u l t i p l e so f t h ec o u p l i n gl e n g t h sf o rb o t hp o l a r i z a t i o n s f i n a l l y , t h ef a b r i c a t i o np r o c e d u r e si n c l u d i n ge l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h ya n d e t c h i n ga n de n d - f i r ec h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rp l cc o m p o n e n t sa r er e v i e w e d s o m ed e v i c e sa r ef a b r i c a t e db a s e do ns e m i c o n d u c t o rc l e a nr o o mf a c i l i t i e st ov e r i f y t h ed e s i g n k 盯w o r d s ：p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t , w a v e g u i d e ，c o u p l e r , m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ， p h o t o n i cc r y s t a l ，p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g n i d e ，( d e ) m u l t i p l e x e r , t r i p l e x e r , p o l a r i z a t i o n b e a ms p l i t t e r , d r ye t c h i n g ，c a r r i e rl i f et i m e i v 浙江大学博士论文 第一章绪论 1 1 基于平面光波导技术的集成器件的现状及前景 光通信是人类2 0 世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，它以光 子为信息载体，为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。现代光 通信，实质上包括无线光通信( 空间光通信) 与有线光通信( 光纤通信) 。空间光通 信虽诞生很早，但至今没有实质性的发展。反之，光纤通信则因光纤与半导体激 光器的成功和发展，加之信息社会的需求和刺激，发展迅猛。 随着i n t e m e t 的迅速普及以及宽带综合业务数字网圆i s d n ) 的快速发展，人 们对信息的需求呈现爆炸性的增长，几乎每半年翻一番。在这样的背景下，信息 高速公路建设已成为世界性热潮，通讯市场已经从“t e l e c o m m u n i c a t i o n ”转入 “d a t a c o m u n i c a t i o n ，目前所用的双绞线和同轴电缆其传输带宽已渐渐被光纤所 取代，将带宽拓展到g b p s 等级的光通信技术已经成为未来解决频宽不足的最佳 途径。而作为信息高速公路的核心与支柱的光通信技术已经成为重中之重。i p 业务的爆炸式增长，给光通信带来了新的机遇与挑战。 在光通信系统中，当长距离的跨海底光缆以及中距离的城域网铺设完毕后， 整个光通信市场发展的瓶颈就在于用户端的光通信零组件的不普及。因此，光通 信元件的大批量生产以及低价位就成为解决光通信市场发展到用户端的唯一途 径。基于薄膜技术的传统的光学系统显然不能满足这些要求，因此，光集成技术 应运而生。平面光波导光集成技术的优点，在于可以缩小元件的尺寸，减少封装 的次数，从而大幅度的降低成本，并且适合于大批量生产。光集成技术是随着微 波、激光、半导体、薄膜光学和集成电路理论与技术的迅速发展而逐渐发展起来 的。19 6 9 年美国贝尔实验室的s e m i l l e r 首先提出了“集成光学”( i n t e g r a t e do p t i e s ) 【2 】的概念。1 9 7 2 年，s o m e k hs 和y a r i v a 提出了在同一半导体衬底上同时集成 光器件和电子器件的构想【3 】。从那时到现在，集成光学无论在理论与应用方面 都得到了长足的发展。发展到今天的“集成光学”已经不再是当初把几个光学元件 集成在一起的简单概念，而是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、 薄膜技术等为一体的独立的边缘学科。 浙江大学博士论文 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的 介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技 术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定 的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究 热点。 建立在平面光波导( p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ，p l c ) 技术之上的光器件，具有成 本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点。目前， 平面光波导集成光学元件已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥 着重要作用。 平面光波导器件大致上可以分为无源器件和有源器件两类。无源器件是指通 过特定的器件结构控制光波在器件中的传输行为，并产生符合要求的输出光波 ( 或反射光波) 的器件；而有源器件则是指通过异质结构、量子阱以及掺杂等实现 光信号的产生、放大以及接收等等。 目前采用平面波导技术制造的无源器件不仅有宽带耦合器【4 】、波导阵列光 栅( a w g ) 【5 ，6 1 、大端口数矩阵光开关【7 】，而且还有多模干涉分束器【8 】，星 形耦合器【9 】、波长隔离器【1 0 】等。由于它可以与有源器件以及微电子回路集成 在同一基片上或封装在同一壳体内，构成混合集成光路，所以前途不可限量。 2 浙江大学博士论文 ( c ) 图1 - 1 几种典型的平面光波导器件：( a ) 1 3 2 功分器；( b ) 矩阵光开光【7 】；( c ) 3 2 3 2 阵列波 导光栅 6 】 适用于制作平面光波导器件的材料有很多种，包括铌酸锂，硅基二氧化硅， 硅，磷化铟，聚合物等，这些材料各具特点，有着各自的优势与相应应用场合。 表1 1 对这些不同材料进行了总结。 铌酸锂镀钛光波导技术的开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基底 上用蒸发或溅射的方法镀一层钛膜，然后进行光刻，形成需要的光波导图形，再 进行扩散，并镀上二氧化硅保护层，制成平面光波导器件。铌酸锂具有很高的电 光系数及压电效应，可以通过外加电场或者表面声波，实现非常高速的光开光， 浙江大学博士论文 调制器以及各种可控的光耦合器、波分复用器等。铌酸锂晶体是具有很高的非线 性效应的各向异性晶体，这使得我们还可以实现波长转换，二次谐波发生，光参 量振荡等器件。但是该波导的损耗较大，一般为0 2 0 5 d b c m 。 硅基s i 0 2 光波导技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术，国外已比较成熟。 其制造工艺有火焰水解法( f h d ) 、化学气相淀积法( c v d ，日本n e c 公司开发) 、 等离子c v d 法( 美国l u c e n t 公司开发) 、多孔硅氧化法和熔胶一凝胶( s o l - g e l ) 等。 制作这种波导时，首先通过高温氧化或者沉积在硅衬底上制作足够厚的低折射率 二氧化硅缓冲层( 折射率约为1 4 5 ) ，用来隔离高折射率的硅衬底。然后，在二氧 化硅缓冲层上沉积掺杂有锗或者磷的s i 0 2 或是折射率更高的s i o x n y ，s i x n v ( 折射 率范围1 4 5 2 1 ) 作为波导芯层，然后再通过光刻，刻蚀等工艺步骤制作出平面光 波导器件，最后再在上面沉积一层低折射率的二氧化硅作为保护的包层。这种波 导的损耗很小，约为0 0 2 d b c m 。国外利用这种波导已研制出6 0 路、1 3 2 路的 a w g ，但二氧化硅波导的缺点在于它只能被用来加工无源器件，以及一些速度 较慢的热光效应光开光，而且通常尺寸较大。 基于s o l ( s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) 材料的光波导是利用高折射率的s i 层作为波导 的芯层，芯层下面以s i 0 2 层与基底s i 作为隔绝，上面以s i 0 2 或者空气为包层。 高折射率对比使得基于s o l 的光波导可以具有很小的弯曲半径，有利于集成度 的提高，加上与c m o s 集成电路的兼容特性，使得s o l 光波导受到广泛关注的 重要原因。但硅是间接带隙材料，因此其发光效率比较低，不适合用于制作发光 器件，同时硅的电光系数也比较低，因此也难于制作调制器等。 i n g a a s p i n p 光波导的研究也比较成熟，优点在于它是直接带隙材料，通过 控制不同元素的组合比例，其发光光谱可以从可见光一直到红外波段，能满足照 明，通信等方面的需求。它可与i n p 基的有源与无源光子器件及i n p 基微电子回 路集成在同一基片上，虽然它与光纤的模场不匹配，与光纤的耦合损耗也较大， 但可以在光回路中引入s o a 加以补足，因此基于i n g a a s p i n p 光波导研究出很 多高性能的器件，包括激光器，高速调制器，波分复用器等等。 聚合物( p o l y m e ) 光波导是近年研究的热点。这种光波导的热光系数和电光系 数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、a w g 等。德国h h i 公司利用这种 波导研制成功a w g 在2 5 6 5 0c 的波长漂移仅为士0 0 5n l n 。聚合物波导及器件制 4 浙江大学博士论文 作工艺简单，价廉，很有发展前景。聚合物光波导材料成本低廉，工艺简单且兼 容性好，但是其稳定性及容易老化的缺点尚待解决。 表1 1 用于平面光波导器件的各种材料及其特点 二氧化硅8 i 0 誉滋i ；i 二氧化硅j s “0 采用p e c v d ，干法刻蚀等 工艺制作，损耗小，但只 能制作无源器件 全球光通信市场在2 0 0 0 年泡沫化之后，2 0 0 3 年达到低谷。虽然光通信产业 至今仍处低迷，但是2 0 0 4 与2 0 0 5 年连续两年分别上升1 3 和8 ，预计未来几 年的全球光通信产业仍会持续以9 的增长率发展，全球光通信产业在2 0 0 8 年可 突破4 2 0 亿美元。驱动光通信行业整体向好的因素是电信运营商视频业务带来的 互联网络流量的飙升，接着就是骨干电信网的不断升级扩容。与此同时越来越普 及的光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 1 1 1 5 业务也成了牵引光通信发展的另 一主要推动力。为了满足这两方面的需求，光通信正在向更大容量，更低成本不 断发展。报告称，中国大陆将成为发展最快的国家之一，预计f t t h 投资额将占 亚太地区的2 0 至2 5 ，占全球市场2 0 的比重。报告认为，与a d s l 与c a b l e m o d e m 的技术相比，f t t h 高速传输的优势，使得消费市场对f t t h 的需求越 来越高，以传输数字多媒体内容。个人计算机的普及与宽带低价化是用户快速增 浙江大学博士论文 长的原因，预计2 0 0 8 年全球固网宽带用户将达到4 亿户，其中a d s l 就占有6 0 以上的市场，2 0 1 0 年将突破5 亿户。 f t t h 市场的潜在的大规模应用，将会给平面光波导器件的发展带来强劲动 力。平面光波导的优势就在于可以大规模，低成本的制造非常复杂的器件。比如 说，对于l x 2 和2 x 2 的功率分配器，熔融拉锥技术成本较低并具有足够的性能， 但是当更复杂的f t t h 结构要求级联功率分配器时，与p l c 器件相比，基于熔 融拉锥技术的器件将降低性能，增加成本并增加器件的封装体积。这时，p l c 的技术优越性就体现出来。日本每月约有4 万左右的光功率分配器用于f t t h ， 而这些光功率分配器都是基于p l c 技术的。单纤三重波分复用器( t r i p l e x e r ) 1 6 2 0 是f t t h 系统中必需的另一基本元器件，用于将一根光纤里的两个输入光 信号分别耦合到一个数字信号接收器和一个模拟信号接收器，同时将一个数字信 号发射器发射的信号耦合到同一根光纤中。传统的单纤三重波分复用器大多基于 薄膜滤波片结构，这种器件需要手动组装，器件的可靠性比较差。基于a w g ， m m i 等实现的t r i p l e x e r 与薄膜滤波片技术相比，拥有p l c 器件的体积小，集成 度高，性能可靠稳定等优点，同时可以大批量生产，可以解决f 刑的成本这一 关键问题。 市场调研公司e l e c t r o n i c a s t ( 美) 在2 0 0 2 年末做了一项市场分析，据分析报告 称，2 0 1 0 年前，平面波导光器件的增长率将会达到两位数，2 0 0 1 年市场总额为 1 7 3 亿美元，到2 0 11 年，该市场总额将会超过4 2 亿美元。此外，c i r ( 美) 及r h k ( 美) 的市场调研报告均对平面波导光器件的市场前景充满信心。 市场的复苏必将推动平面光波导技术的发展，除了减小成本，提高器件性能， 平面光波导技术主要有以下发展方向： f 1 ) 集成度的提高：平面光波导器件的尺寸与传统光学器件相比虽然已经缩小了 很多，但是与集成电子器件相比，还相去甚远，为了降低成本并扩大市场，有必 要进一步缩小现有器件的尺寸。主要的技术包括：( a ) 采用高折射率对比的硅纳 米波导( s i l i c o nn a n o w i r e ) 【2 1 2 3 ，硅纳米波导的弯曲半径可以为2l a m ，波导间 无耦合间距可以在1l a m 左右，因此具有很高的集成度；( b ) 采用光子晶体波导 ( p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e ) 【2 4 - 2 6 ，利用线缺陷，可以实现理论上无损耗的任意 弯曲半径的弯曲；( c ) 表面等离子波光波( s u r f a c e p l a s m a w a v e g u i d e ) 【2 7 - 2 9 - 即利 6 浙江大学博士论文 用“金属介质金属”或“介质一金属介质”的结构，让光贴着金属表面以等离 子波的形式向前传播，利用表面等离子波可以实现真正意义上的亚波长光波导， 利用这种波导可以实现弯曲半径为数百n l i l 的波导弯曲，但由于构成这种波导的 金属的本征损耗，使得其传输损耗非常大；( d ) - - 维集成：为提高光波导元件的 集成度，现在已有不少的研究机构在进行三维光波导器件的研制，其目的是进一 步增加单位体积内光波导的通道数目。 ( 2 ) 新型的光波导结构：传统的光波导都是基于全内反射的原理，c o m e l l 大学得 研究者提出了一种狭缝波导( s l o tw a v e g u i d e ) 3 0 - 3 2 ，该波导两侧采用了互相平 行的高折射率材料，其间距约为5 0 2 0 0 n m ，中间缝隙则填充了另外一种折射率低 很多的材料。他们制作的器件有的采用硅作为两侧侧墙，中间为空气；有的则分别 采用二氧化硅和硅作为侧墙和中间填充材料。当波阵面通过折射率差异悬殊且低 折射率材料空间很狭窄、与波长相当的两种材料时，几乎所有的光都将被限制在 “狭缝波导”中。理论计算与实验证明直线型狭缝不会损失任何光，平滑弯曲狭缝 损失的光也很少。意大利研究者提出了一种全新的波导结构盒子型波导( b o x w a v e g u i d e ) 3 3 ，其使用低折射率材料做芯层( 氧化硅) ，在芯层外使用薄薄一层 高折射率材料( 氮化硅) ，这种结构将能量限制在薄的高折射率材料周围，同时拥 有硅基二氧化硅波导和s o i 波导的双重优势，既能获得较好的传输性能，也适 合大规模集成，其单模波导截面尺寸大约为1 平方微米左右。 ( 3 ) 混合集成：从集成形式上划分，可分为单片集成和混合集成。所谓单片集成， 是指在在半导体或光学晶体衬底上，只经过制作工艺，把所有元件集成在一起。 而混合集成，是指用不同的制作工艺制作一部分元件以后，装在半导体或光学晶 体衬底上。很多公司已经减小了单片集成的研发投入，这是因为：首先缺少器件 规格的标准，不同用户通常使用不同的设备，单片集成失去其优势所在；其次整 个通信市场还不够成熟，不能只依赖一种或者两种材料，也没有一种材料能够为 每种产品提供最佳的性能，这就决定了要混合使用各种材料。混合集成可以将一 系列复杂的功能集成进智能的p l c 模块。 ( 4 ) 光子芯片的互连将p l c 光子系统设计成与现在的集成电路插卡一样，类似 铜线一样的无源光波导器件将会连接“光子芯片”，而这些芯片由可以提供各种 功能的不同材料组成。 7 浙江大学博士论文 1 2 本论文的主要内容及创新点 本论文旨在，从理论上和实验上，研究一些基于平面光波导集成技术的器件， 尤其是基于多模干涉波导及光子晶体波导的平面光波导器件。我们讨论了模拟设 计平面光波导器件的数值方法，包括有限差分方法，有限差分束传播法，时域有 限差分等。设计了包括偏振分束器，1 3 1 0 1 5 5 0a m 波分( 解) 复用器，单纤三向器 件在内的平面光波导器件，并利用电子束曝光，干法刻蚀等平面光波导器件制作 工艺制作了部分器件，对其性能进行了验证，得到了良好的结果。 在第二章中，我们对光波导的基本理论进行了回顾和总结，分析了用于求解 光波导模场的解析方法，对传统等效折射率方法进行了改进，从波动方程出发， 通过严格的数学推导，得到了一维等效折射率分布的表达式，这种方法具有比传 统等效折射率方法( e l m ) 更高的精度，而且不受波导截止条件的限制，并适用于 任意的折射率分布结构。在本章中，还对平面光波导器件设计中常用的数值方法 进行了总结，给出了各种方法的基本原理，具体的求解步骤等，利用这些数值方 法可以得到光波导的模场分布，光波在器件中的传播特性，器件的频谱特性等等。 在第三章中，首先介绍了多模干涉耦合器的基本工作原理，分析方法。对于 垂直方向存在多于一个模式的多模干涉耦合器，垂直方向的模式将使得器件的性 能受到影响，通过对输入输出波导进行t a p e r 设计，可以减小垂直方向多模的激 发，使得器件的性能得到改善。对于s i 0 2 波导，由于芯层与包层的折射率差较 小，使得基于这种波导结构的器件，尺寸通常比较大，本文通过深刻蚀，使得 s i 0 2 波导在小的弯曲半径下也能有比较小的弯曲损耗，基于这种深刻蚀s i 0 2 波 导的多模干涉耦合功分器不仅具有较小的尺寸，同时性能也有很大的提高。通过 调整狭缝波导中间层s i x n v 的折射率以及多模波导的尺寸，成功实现了偏振不敏 感的1 3 1 0 1 5 5 0n l i l 波分( 解) 复用器。 在第四章中，我们提出了几种基于光子晶体的新型器件的实现方法。通过在 m m i 的多模干涉区引入光子晶体结构，利用光子晶体的偏振敏感特性( 即在某个 波段，对一个偏振反射，而对另外一个偏振则透射) ，实现了带宽很宽，尺寸很 小的偏振分束器。利用光子晶体波导方向耦合器的解耦合特性，通过方向耦合器 的级联，设计了单纤三向器件( t r i p l e x e r ) ，模拟结果显示，这种单纤三向器件具有 体积小，带宽较大的特点。 8 浙江大学博士论文 在第五章中，我们首先介绍了平面光波导器件的整个制作流程。对干法刻蚀 工艺进行了深入研究，得到了优化的工艺配方，制作出端面垂直度高，粗糙度小 的光波导，并对干法刻蚀工艺的l a g 效应进行了研究。利用电子束曝光，干法刻 蚀工艺制作了光子晶体波导，光子晶体f p 腔等平面光波导器件，并利用端面耦 合法测试了所制作器件的性能。 第六章主要是对本文所做的工作的总结，并对发展趋势进行了分析，对未来 要进行的工作做了展望。 参考文献 【1 】左鹏，林金桐，“光通信技术的成就与展望，”电信建设，第五卷，页码1 1 0 ，2 0 0 1 2 】s e m i l l e r , “i n t e g r a t e do p t i c s ：a ni n t r o d u c t i o n , ”b e l ls y s t t e c h z ，v 0 1 4 8 ，p p 2 0 5 9 - 2 0 6 8 ， 1 9 6 9 【3 】小林功郎著光集成器件科学出版社2 0 0 2 【4 】h u e t s u k a , “a w gt e c h n o l o g i e sf o rd e n s ew d ma p p l i c a t i o n s ，”i e e ezs e l e c t t o p q u a n l e l e c t r o n ，v 0 1 10 ，n o 2 ，p p 3 9 3 4 0 2 ，2 0 0 4 【5 】k a m c g r e e r , h x u , c h o ，n k h e r a j ，q z h u ，m s t i l l e r , a n dj l a m ，“p l a n a rl i g h t w a v e c i r c u i t sf o rp o na p p l i c a t i o n s ，i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o na n d t h en a t i o n a lf i b e ro p t i ce n g i n e e r sc o n f e r e n c e ，t e c h n i c a ld i g e s t ( c d ) ( o p t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a , 2 0 0 6 ) ，p a p e rn w d 4 【6 】k o k a m o t o ，“a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n gt e c h n o l o g y , ”o p t i c s p h o t o n i c sn e w s ，v 0 1 1 3 ， p p 3 8 4 3 ，2 0 0 2 7 】m k s m i ta n dc v d a m ，“p h a s a rb a s e dw d md e v i c e s ：p r i n c i p l e s ，d e s i g na n da p p l i c a t i o n s ，” i e e ed s e lt o p q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 2 ，n o 2 ，p p 2 3 6 - 2 5 0 ，19 9 6 【8 】s s o h m a , t w a t a n a b e ，t s h i b a t a , a n dh t a k a h a s h i ，“c o m p a c ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n 16 x16 o p t i c a l m a t r i xs w i t c hw i t h s i l i c a - b a s e dp l c t e c h n o l o g y , i no p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o na n dt h en a t i o n a lf i b e ro p t i ce n g i n e e r sc o n f e r e n c e ， t e c h n i c a ld i g e s t ( c d ) ( o p t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a , 2 0 0 5 ) ，p a p e ro t h v 4 【9 】y a s a h a r a , s n a k a y a m a , 0 m a r u y a m a , s o h m i ，h s a k a i ，a n dy y o n e d a ，“d e s i g na n d 9 浙江大学博士论文 c h a r a c t e r i s t i c so fad e m u l t i p l e xs t a rc o u p l e r , ”i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，v 0 1 1o f19 9 8 o s at e c h n i c a ld i g e s ts e r i e s ( o p t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a , 19 8 8 ) ，p a p e rw q 7 10 】l b s o l d a n oa n de c m p e n