硅基聚合物/二氧化硅混合集成波导布拉格光栅的研究

论文摘要

随着5G通信、云计算、大数据分析、物联网等新兴技术的发展,对光网络提出了较高的要求,包括提高集成度、增大带宽、降低延时、减小功耗等,小体积、低功耗、高性能、高可靠性的光子集成芯片将起到越来越重要的作用。目前,硅基光子集成技术和InP基光子集成技术优势明显,都取得了广泛的实际应用和巨大的商业价值。近年来,硅基混合光子集成技术发展迅速,通过多种材料体系的混合集成,可以使芯片汇集不同材料体系的优势,从而提高芯片整体性能,成为了国际上的研究热点。波导布拉格光栅（Waveguide Bragg Grating,WBG）是集成光路中一种重要的光无源器件,其应用领域十分广泛,包括滤波器、传感器、激光器、波分复用器、模分复用器、偏振分束器等。因而,研究硅基混合集成WBG对于光子集成技术的向前发展具有重要的理论意义和实用价值。本论文以有机聚合物和硅基二氧化硅材料为基础,探索了三种新型硅基聚合物/二氧化硅混合集成WBG的结构设计、制作工艺和功能特性。本论文主要进行了以下工作:1.首先阐述了WBG的耦合模理论,之后推导出了一般形式的耦合模方程,然后利用推导出的耦合模方程分析了波纹型均匀WBG中的模式反向耦合问题,并通过求解耦合模方程对光栅的透射率、反射率及功率守恒问题进行了讨论,接着理论分析了WBG作为反射滤波器的工作原理,最后通过引入传输矩阵法得到了非均匀WBG的求解方法。2.本论文提出了一种基于紫外光漂白技术的简单且低成本的WBG温度传感器。首先基于SU-8 2005薄膜的紫外光漂白效应,设计了一种单模波导结构并分析了该温度传感器的工作原理,然后基于这种单模波导利用Rsoft软件对所设计的器件结构进行了性能仿真,得到了器件的透射光谱、反射光谱以及相关性能参数。在此基础上仿真了温度变化对器件光谱特性的影响,并且分析了温度变化对中心波长、3-dB带宽和反射率的影响,进一步阐明了该温度传感器的工作原理。接下来对所设计的器件进行了工艺制作,首先将布拉格光栅制作在硅基二氧化硅下包层上,然后将SU-8 2005旋涂在该布拉格光栅上,通过简单的紫外光漂白法在SU-8 2005薄膜中形成条形波导结构,之后再旋涂一层SU-8 2005作为上包层。巧妙地利用了SU-8 2005薄膜在不同加热温度和紫外曝光剂量下对应的折射率的不同,实现了一种由单一聚合物材料构成的单模波导结构。由于聚合物具有较高的热光系数,因而相比于光纤布拉格光栅温度传感器具有较高的灵敏度,而且具有体积小、集成度高的优势。最后,搭建了芯片测试系统,测试了器件的输出光谱和温度传感特性,验证了这种温度传感器的功能性和可行性。测得在25℃温度下,器件的中心波长约为1573.4 nm,透射峰的消光比约为7.3 dB,反射峰的1-dB带宽约为0.1 nm,传感器的灵敏度约为-0.15 nm/℃,其有望成为新一代低成本、集成化的温度传感器。3.本论文提出了一种基于长程表面等离子体（Long-Range Surface Plasmon Polariton,LRSPP）的聚合物/二氧化硅混合集成WBG可调谐滤波器。首先阐述了表面等离子体理论,然后详细描述了器件的材料选择、结构设计、软件模拟、工艺制作和性能测试。利用COMSOL软件模拟了LRSPP波导的光场和热场分布,通过与采用传统加热电极的器件结构进行对比,证明了采用本论文所提出的器件结构具有较高的热调谐效率。器件的制作工艺非常简单,首先将布拉格光栅制作在硅基二氧化硅衬底上,然后在其上制作了以聚合物SU-8 2005为上下包层、以条形金膜为波导芯层的LRSPP波导。由于金膜也可以传导电流,所以本论文直接利用条形金膜作为加热电极以调谐器件中心波长。由于SU-8 2005本身也是一种紫外负性光刻胶,所以本论文在制作LRSPP波导上包层时,通过对准套刻以及湿法腐蚀工艺打开了两个窗口以将两个电极引脚裸露出来与加热探针直接接触,这种制作方法十分简单,只需要采用传统的接触式光刻和湿法腐蚀工艺。由于条形金膜兼作了光波导芯层和加热电极,因此不仅简化了工艺步骤,而且使得波导中热场分布与光场分布的重叠积分因子较高,所以这种可调谐光滤波器的热调谐效率较高。测得在不加热条件下,器件的中心波长约为1575.2 nm,透射峰的消光比约为17.1 dB,反射峰的3-dB带宽约为0.9 nm,中心波长的热调谐效率约为-0.48 nm/mW,其有望成为新一代低成本、宽调谐范围的可调谐光滤波器。4.本论文提出了一种基于光栅辅助反向耦合器的聚合物/二氧化硅混合集成光分插复用器（Optical Add/Drop Multiplexer,OADM）。详细阐述了器件的材料选择、结构设计、性能仿真、工艺制作和性能测试,然后对测试结果进行了分析。利用FDTD Solutions软件模拟了光栅辅助反向耦合器的输出光谱。器件的制作工艺简单,首先在硅基二氧化硅包层上制作光分插复用器的凹槽图形,然后在其上旋涂聚合物SU-8 2002波导芯层,之后利用感应耦合等离子体刻蚀工艺去除倒脊形波导的平板层,从而聚合物芯层完全被嵌入在二氧化硅包层中。由于聚合物材料的热光系数和线热膨胀系数大小在同一数量级且数学符号相反,而OADM的中心波长温度依赖性取决于其等效相对热光系数和等效线热膨胀系数之和,因此基于全聚合物材料体系制作的OADM的温度依赖性较低;由于二氧化硅的线热膨胀系数比聚合物的小两个数量级,其热光系数比聚合物的小一个数量级,因此基于全二氧化硅材料体系制作的OADM的温度依赖性也较低;由于本论文提出的器件的等效线热膨胀系数近似等于硅衬底的线热膨胀系数,而且硅的线热膨胀系数比聚合物的热光系数小两个数量级,因此其中心波长温度依赖性主要取决于聚合物的热光系数,而聚合物材料通常具有较大的热光系数。因此,本论文提出的硅基聚合物/二氧化硅混合集成方案相比基于全聚合物和基于全二氧化硅材料体系制作的OADM具有较高的中心波长温度依赖性。本论文通过将聚合物/二氧化硅混合集成的优势与简单且低成本的接触式光刻技术相结合,不仅可以大大降低器件的制作成本和工艺复杂度,而且还可以获得较高的中心波长温度依赖性。测得在25℃温度下,器件的中心波长约为1509.4 nm,直通端口输出光谱的谐振峰消光比约为13.2 dB,下路端口输出光谱的谐振峰3-dB带宽约为0.5 nm,中心波长的温度依赖性约为-0.16 nm/℃,其有望用于新一代低成本、可重构的光分插复用系统。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 集成光学的发展现状

1.2.1 有源光器件

1.2.1.1 激光器

1.2.1.2 光电探测器

1.2.1.3 光调制器

1.2.1.4 光放大器

1.2.2 无源光器件

1.2.2.1 光波导

1.2.2.2 光分路器

1.2.2.3 光开关

1.2.2.4 光滤波器

1.2.3 基于有源和无源光器件的集成光路

1.3 波导布拉格光栅的研究进展

1.4 本论文的主要工作与创新点

第2章波导布拉格光栅的理论分析

2.1 引言

2.2 波导布拉格光栅的耦合模理论

2.3 波导布拉格光栅的传输矩阵法

2.4 小结

第3章基于紫外光漂白法的聚合物/二氧化硅混合集成波导布拉格光栅温度传感器

3.1 引言

3.2 器件设计

3.2.1 紫外光漂白技术

3.2.2 器件结构设计

3.2.3 器件性能仿真

3.3 器件制作与表征

3.4 器件测试与分析

3.4.1 测试系统介绍

3.4.2 器件输出光谱测试

3.4.3 器件传感测试

3.5 小结

第4章基于表面等离子体的聚合物/二氧化硅混合集成波导布拉格光栅可调谐滤波器

4.1 引言

4.2 器件设计

4.2.1 表面等离子体

4.2.2 器件结构设计

4.2.3 器件性能仿真

4.3 器件制作与表征

4.4 器件测试与分析

4.4.1 测试系统介绍

4.4.2 器件输出光谱测试

4.4.3 器件热调谐测试

4.5 小结

第5章基于光栅辅助反向耦合器的聚合物/二氧化硅混合集成光分插复用器

5.1 引言

5.2 器件设计

5.2.1 光栅辅助反向耦合器

5.2.2 器件结构设计

5.2.3 器件性能仿真

5.3 器件制作与表征

5.4 器件测试与分析

5.4.1 测试系统介绍

5.4.2 器件输出光谱测试

5.4.3 器件温度依赖性测试

5.5 小结

第6章结论

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

作者简介及博士期间发表的论文

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 田亮

导师: 张大明

关键词: 波导布拉格光栅,混合集成,聚合物,二氧化硅

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 吉林大学

基金: 科技部国家重点研发计划(No.2016YFB0402502),国家自然科学基金面上项目(No.61575076,61605057),吉林省科技发展计划项目(20190302010GX)

分类号: TB332;TN253

总页数: 141

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