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随着因特网的出现和普及,人们对信息传输量的要求与日俱增。传统集成电路中所采用的电互连,已经难以支撑日益增长的数据传输率与带宽,导致信号在传输过程中遭遇瓶颈。光子在信息传输领域以其自身所特有的优势,使得光互连代替电互连成为未来的发展趋势。基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅基光子器件,具有尺寸紧凑、成本低,并可与标准CMOS工艺兼容等特点,是实现光子集成芯片最有前景的解决方案之一。作为波分复用(WDM)网络中核心器件的阵列波导光栅(AWG),也将会是硅基光子芯片上重要的组成部分。
本论文系统地研究了基于SOI的纳米线波导AWG的工作原理和设计流程,探索了相关的制作工艺,并研制出了纳米线波导AWG。主要研究成果如下:
采用薄膜模式匹配法(FMM)计算了基于SOI硅纳米线波导的模式有效折射率及群折射率,确定了厚度为320nm的条形波导的单模条件。模拟了波导结构为450x320nm～的硅纳米线波导中TE0和TM0模的有效折射率和群折射率随波长的变化关系。从凹面衍射光栅的原理出发,系统阐述了AWG的基本工作原理,由物理参数和几何参数两个方面给出了AWG的基本设计步骤,并总结出了器件设计流程。
采用时域有限差分法(FDTD)和简单传输函数法对器件的传输谱进行了模拟,通过计算阵列波导数目,输入波导与星型耦合器连接处的锥形波导宽度这两个参数对器件传输谱的影响,验证了改善器件串扰性能的方法。采用在AWG的阵列波导区域中引入SLOT波导,通过优化SLOT波导的结构参数,调节硅纳米线波导的长度差和SLOT波导的长度差,使得最终器件中TE模和TM模的传输谱重合,设计出偏振无关的AWG器件。
采用简单传输函数法对器件的系统误差和工艺误差进行了分析。系统误差分析表明条形波导折射率的偏移和相邻阵列波导长度差△L的偏移仅仅会影响到传输谱中各个通道所对应的波长,使得传输谱发生整体的偏移,而对于信道的间隔以及串扰并没有影响。罗兰圆半径R的偏移不会影响器件的中心通道所对应的波长,但是会使得其余通道所对应的波长发生变化,最终使得信道间隔缩小,且随着罗兰圆半径R的偏移值增大,旁瓣串扰也越来越大。工艺误差分析表明,若要保证传输谱的串扰值大于15dB,波导厚度的工艺容差以及波导宽度的工艺容差范围都在±1nm,波导芯区折射率的工艺容差范围在±0.1。
基于国内的制作工艺,结合电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子刻蚀技术(ICP),首次制作出基于SOI纳米线波导的8通道AWG。器件尺寸为420×130μm2,通道间隔在1.3-1.6nm之间,3dB带宽为3.6nm,中心通道的串扰为3dB,损耗约为11.3dB。采用国外深紫外光刻技术,制备的16通道AWG测试结果为:通道串扰5-8dB,中心通道损耗2.2dB,平均信道间隔1.475nm,3dB带宽0.8nm。