基于光子晶体微腔的硅基集成器件的研究

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1、分类号学号D201177704学校代码10487密级博士学位论文基于光子晶体微腔的硅基集成器件的研究学位申请人：张永学科专业：光学工程指导教师：夏金松教授答辩日期：2015年05月10日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringSilicon-basedphotoniccrystalcavitydevicesPh.D.Candidate:ZhangYongMajor:OpticalEngineer

2、ingSupervisor:Prof.XiaJinsongCo-Supervisor:HuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权

3、书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要随着21世纪信息通信科学的大发展，人类对于数据计算交换速度的要求越来越高，对于数据交换量、传输带宽的要求越来越大。光互连技术因其

4、高传输速率、大传输带宽的优点被广泛应用于信息处理领域，用于替代传统的电互连技术。硅基集成光电芯片是将传统电学器件与新型光子器件混合集成在同一个芯片上，实现Tb/s量级传输速率、fJ/bit量级功耗的光互连技术。硅基光互连技术因其超高传输速率、低功耗、高集成度、成熟的硅基工艺等优势，成为最有前景的下一代光互连方案。硅基集成光子器件需要在微纳米尺度上有效的调控光子。光子晶体是由不同介电常数的电介质周期性排列而形成的，其光学能带结构特性使其能在微纳米尺度上有效调控光子。在完美光子晶体结构中引入点缺陷就构成了光子晶体微腔，光子晶体微腔对特定频率的光波有很强的光场限制能

5、力，其具有品质因子高、有效模式体积小、尺寸小、易于集成等优点。光子晶体微腔已被广泛应用于超低阈值激光器、集成光源、复用解复用器、高灵敏度传感器、非线性光学、量子光学等领域中。在国家自然科学基金面上、重点项目以及国家基础研究发展计划(973)的资助下，本论文对光子晶体微腔及其在光学非线性、硅基集成光源中的应用开展了一系列理论与实验研究。本文的研究成果可以总结为以下几个方面：(1)探索开发了微纳加工技术中关键的电子束曝光(EBL)工艺，在多种电子束胶、多种衬底上实现了高质量的电子束曝光结果，同时开发了部分感应耦合等离子(ICP)刻蚀工艺。为后续的光子晶体微腔器件的

6、实验制备奠定了基础。(2)理论研究并制备了高品质因子硅基光子晶体微腔。制备的光子晶体L3腔的品质因子超过已报道的同类腔型的品质因子；提出了一种简单的新颖设计方案，通过减小环形腔拐角处的空气孔径，实现了品质因子为75200的光子晶体环形腔，比之前报道的结果提高了两个数量级，相关结果发表于OSAOpticsLetters杂志。(3)研究了硅基光子晶体L3腔中光学非线性、光学双稳态现象。在光子晶体波导与高品质因子L3腔耦合系统中观察到超低阈值的光学非线性及双稳态现象。由于腔的高品质因子，腔中光学非线性得到极大增强，实验观察到的光学双稳态阈值功率为I华中科技大学博士学

7、位论文26.1W，远小于已报道的同类型光子晶体微腔的阈值功率；通过改变光子晶体波导与L3腔的耦合间距，实验得到了临界耦合状态下的波导与L3腔耦合系统，观察到了低输入功率、大调制深度的光学双稳态现象。在开启光功率为-12.1dBm时，开关对比度为7.7dB，调制深度达到70%，开关对比度、调制深度明显大于弱耦合系统中的结果；建立了一套非线性耦合模理论模型，理论分析了光子晶体波导与L3腔耦合系统中各类光学效应。相关结果分别发表于IEEEPhotonicsJournal与PhotonicsTechnologyLetters杂志。(4)首次提出并实现了基于级联光子晶

8、体L3腔的光二极管，利用腔中硅的非线性