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基于SOI材料光通信器件的模拟、设计和制作

作　者: 陈方荣
导　师: 何赛灵
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光通信器件 SOI材料折射率差制作工艺光波导模拟设计光器件模拟与设计波长响应突变界面
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 147次
引　用: 1次
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内容摘要

SOI（Silicon-On-Insulator）材料由于其在低功耗、高速CMOS器件方面的应用，被称为“二十一世纪的硅基础电路技术”。同时，它也具备许多优越的光学特性，比如低损耗（在通信波段）、高折射率差，这使得它不但能用来制作灵巧紧凑的光集成器件，也为利用CMOS微电子工艺实现光电集成提供了一个很好的平台。在两年半的硕士学习期间，我将集成光器件的模拟与设计作为自己的研究方向，着重研究基于SOI材料的光通信器件。本论文总结了我两年来的研究成果，它主要包括基于SOI材料的集成光器件模拟设计和制作工艺两部分。在理论和设计方面，本论文首先在基于SOI材料的光集成器件的模拟算法方面做了研究。由于SOI材料中作为波导芯层的硅折射率很大，与作为包层的SiO₂之间有很大的折射率差，这势必对模拟数值算法的精度和边界处理等方面提出了更高的要求。本文给出了一种基于插值的全矢量有限差分方法（FDM）。在保证一定精度的前提下，这种方法能够平滑地处理SOI材料的折射率突变界面。另外，本文还实现了多种束传播算法（BPM），为设计特性优良的光集成器件打下扎实的基础。基于以上实现的算法，本文还对SOI脊形光波导的一些基础结构特性做了研究，比如利用建立的有限差分模式解算法模拟了不同刻蚀深度对SOI脊形光波导的偏振相关特性的影响以及泄漏损耗、弯曲损耗与波导结构参数之间的关系等等；最后，本论文给出了几种基于SOI材料无源器件的模拟设计结果。比如在FDM和BPM等算法的基础上，利用遗传算法设计了波长响应平坦的功分器等。在制作工艺方面，摸索出一套相对行之有效的SOI光波导制作工艺流程，在图像反转光刻以及Lift-Off金属剥离等方面，得到了一些比较成熟的工艺参数。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-5
第1章引言  5-17
  1.1 不断发展的光通信技术  6-12
  1.2 SOI技术发展现状  12-17
    1.2.1 SOI在集成电路领域的应用  12-13
    1.2.2 SOI在集成光电子方面的应用  13-17
第2章理论分析与模拟设计  17-62
  2.1 光波导的模式分析和理论基础  17-33
    2.1.1 介质光波导本征方程  17-22
    2.1.2 束传播方法  22-25
    2.1.3 有限差分法  25-31
    2.1.4 有效折射率法  31-33
  2.2 SOI脊形光波导的结构特性分析  33-47
    2.2.1 脊形光波导的单模条件  33-36
    2.2.2 脊形波导本征模式  36-37
    2.2.3 泄漏损耗分析  37-42
    2.2.4 弯曲损耗以及弯曲波导设计  42-46
    2.2.5 光纤耦合损耗  46-47
  2.3 SOI无源器件设计  47-62
    2.3.1 Y型分支波导  48-49
    2.3.2 定向耦合器  49-53
    2.3.3 MMI耦合器  53-56
    2.3.4 Mach-Zehnder干涉仪  56-62
第3章制作工艺  62-74
  3.1 SOI材料制作工艺介绍  62-65
  3.2 SOI集成光波导的半导体加工工艺  65-74
第4章总结  74-76
  4.1 小结  74
  4.2 今后的工作  74-76
参考文献  76-81
附录  81-82
致谢  82

基于SOI材料光通信器件的模拟、设计和制作

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