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可见光波段硅基微纳光波导滤波器及硅光电探测器研究

作　者: 朱云鹏
导　师: 戴道锌
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光集成光波导高折射率差阵列波导光栅可见光光波导悬挂式光电探测器金属-半导体-金属单片集成
分类号: TN256
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

信息和通信技术的发展改变了人们的生活与思维方式。而人们日益增长的需求也对信息与通信技术的发展提出了更高的要求。传统的电子技术已经很难满足海量信息传输的要求。而光通信能够实现长距离海量数据的要求。同时人们希望将这项技术延伸至中短距离通信以及互连领域。类似于传统微电子技术的集成光学技术应运而生。人们希望在降低成本和提高性能的同时,将集成光子器件朝着更高集成度的方向上继续发展。在减小器件尺寸,提高集成度的方面,采用高折射率差的光波导材料成为最有效的途径。同时,随着集成光学的继续发展,其应用范围不仅仅局限于传统的通信用途,其在光传感方面的应用也有着广阔的前景。然而传统的红外通信波段在传感方面有着一些局限性,短波长(如可见光)以及长波长(如远红外)则有着其在光传感应用上的优越性。这就要求我们对相关波段的波导平台以及波导材料进行相关的研究。本文首先回顾了集成光学的相应技术与平台。之后简单介绍了平面光波导的基本理论,包括对常用的数值计算方法进行了简单的介绍,包括有限差分方法以及光束传播法。然后对集成光学的相关工艺进行了简单介绍。本课题主要进行了两方面的研究。一方面是硅基SU-8聚合物波导的平面滤波器的设计。该部分内容主要是设计,制作并测试了基于MMI耦合器的一种特殊的阵列波导光栅滤波器。由于SU-8聚合物材料在可见光波段的透光性特别好,特别适合于实现可见光波导材料及其相应的波导型滤波器。设计的滤波器实现了通道间隔为4nm,通道数为4的解复用。其测试得出的串扰大约为12dB,3dB带宽约为3.3nm,FSR为16nm,都与设计值吻合得很好。另一方面是硅基二氧化硅悬挂式波导的设计,制作与测试。该种特殊结构的二氧化硅悬挂式波导相比于传统的弱限制波导,提高了折射率差,其波导尺寸和弯曲半径都有了显著的减小。利用这种结构的波导,如用于光传感系统,相比于普通的脊型波导,其与传感介质的接触面积更多,更容易获得更高的灵敏度。同时,相比于传统的波导,这种悬挂式波导在波导的纵向维度上是悬空的,因此在该维度上有了空间自由度。由于二氧化硅纳米结构有着优异的机械性能,为引入MEMS驱动调节光子器件的光学性能,实现对光子器件的调制,控制光子器件的光学性能,并进一步研究光子和纳米结构的相互作用等物理问题提供了可能。这部分课题由于时间关系,并没有全部完成,仅仅测试了波导在可见光范围内的传播损耗,大约在1.5-3dB/cm的量级。同时,由于这种悬挂式波导的结构,使得在波导末端实现硅基可见光探测器的单片集成变得十分容易。由于衬底采用硅材料,在波导末端,只要不掏空硅衬底,波导中的导模的能量就会很快泄露至衬底,只要设计合适的电极,就能实现高效的光电转换效率。金属-半导体-金属结构的硅基光电探测器由于其平面器件的结构特别适合于前端的悬挂式波导共同实现传感单元与探测器单元的单片集成。同时,相比较别的结构的探测器,这种金属-半导体-金属结构的光电探测器还具有速度快,适用于探测器阵列的实现等等。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-13
第一章绪论  13-21
  1.1 集成光学发展状况  13-15
  1.2 光波导材料的发展  15-18
  1.3 可见光波导材料  18-20
    1.3.1 SU-8聚合物光波导  18-19
    1.3.2 硅基二氧化硅悬挂式光波导  19-20
  1.4 论文的章节安排  20-21
第二章光波导概述  21-32
  2.1 波动方程  21-25
    2.1.1 TE模  23-24
    2.1.2 TM模  24-25
  2.2 有限差分方法  25-29
  2.3 光束传播方法  29-32
第三章集成光子器件制作工艺及测试平台  32-42
  3.1 整体工艺流程简介  32-33
  3.2 薄膜沉积  33-37
    3.2.1 等离子增强化学气相沉积(PECVD)  33-36
    3.2.2 高温氧化  36-37
  3.3 光刻及显影  37-38
  3.4 刻蚀  38-40
    3.4.1 干法刻蚀系统  38-40
    3.4.2 湿法腐蚀  40
  3.5 集成光子器件测试系统  40-42
第四章基于SU-8聚合物平面光波导滤波器的设计  42-67
  4.1 聚合物平面光波导概况  42-43
  4.2 阵列波导光栅概述  43-47
  4.3 MMI-AWG的意义  47
  4.4 SU-8聚合物平面光波导器件的制作流程  47-48
  4.5 MMI-AWG的设计  48-56
    4.5.1 波导结构的设计  49
    4.5.2 MMI耦合器的设计  49-51
    4.5.3 阵列波导的设计  51-56
  4.6 MMI-AWG的制作  56-63
    4.6.1 掩模板的制作  56-58
    4.6.2 SU-8光刻胶的配制  58-59
    4.6.3 MMI-AWG的制作  59-63
  4.7 MMI-AWG的频谱响应测试  63-66
  4.8 小结  66-67
第五章:二氧化硅悬挂式波导的设计与制作  67-85
  5.1 背景陈述  67-73
  5.2 结构与设计  73-78
    5.2.1 单模条件以及弯曲损耗的计算  74-77
    5.2.2 腐蚀沟槽的深度选择  77
    5.2.3 小孔距离的优化设计  77-78
  5.3 二氧化硅悬挂式波导的制作  78-82
    5.3.1 二氧化硅膜层的生长  78-79
    5.3.2 脊型波导的制作  79
    5.3.3 硅衬底的湿法腐蚀  79-82
  5.4 二氧化硅悬挂式波导的性能测试  82-83
  5.5 小结  83-85
第六章硅基金属-半导体-金属型光电探测器的设计与制作  85-91
  6.1 金属-半导体-金属(MSM)光电探测器的发展和特点  85-86
  6.2 MSM光电探测器的电极设计  86-87
  6.3 MSM光电探测器的制作  87-89
  6.4 MSM光电探测器的简单测试  89-90
  6.5 小结  90-91
第七章总结  91-92
在读硕士期间发表的论文  92-93
参考文献  93-97

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