【摘 要】
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近年来,绝缘体上硅（silicon-on-insulator,SOI）波导集成光子芯片的研究已经取得了令人瞩目的成果,其应用范围越来越广,正因为如此,SOI光子芯片-光纤耦合损耗问题已然成为硅基光子集成线路（photonic integrated circuit,PIC）领域中的研究热点。本论文中利用二氧化硅（silica-on-silicon,SOS）波导和SOI波导锥形结构组成的模式转换器（m
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近年来,绝缘体上硅（silicon-on-insulator,SOI）波导集成光子芯片的研究已经取得了令人瞩目的成果,其应用范围越来越广,正因为如此,SOI光子芯片-光纤耦合损耗问题已然成为硅基光子集成线路（photonic integrated circuit,PIC）领域中的研究热点。本论文中利用二氧化硅（silica-on-silicon,SOS）波导和SOI波导锥形结构组成的模式转换器（mode convertor,MC）来实现SOI光子芯片与光纤之间的低损耗端面耦合。SOS波导是采用硅的局部氧化（local oxidation of silicon,LOCOS）技术将Si波导氧化形成的,根据Deal-Grove模型,对亨利定律气体常数建立了热力学理论模型,系统地模拟了Si O2的生长速率和生长厚度分别对氧化温度和氧化时间的依赖关系,并通过已有的统计物理经验模型来检验。通过模拟获得的SOI波导尺寸、氧化温度和氧化时间来制作三种结构的芯片样品,并对其模式转换器的性能进行了测试。本论文中选择LOCOS方法制备Si O2芯层和刻蚀方法制备SOI波导锥形结构组成的模式转换器为研究对象,探索降低SOI波导-光纤端面耦合损耗的理论和技术。主要的研究工作与结果如下:一、根据光纤-SOS波导-SOI波导系统来研究导波模式在波导通道内的转换过程,进而研究SOS波导与SOI波导锥形结构的界面菲涅尔反射损耗理论和SOI波导锥形结构的模式转换理论。通过分析光纤-SOS波导-SOI波导系统表明,由于光纤-SOS波导耦合是同种材料的低折射率差波导之间的间隙模式转换,该模式转换为超低损耗。因此,光纤-SOS波导-SOI波导系统的光纤-芯片端面耦合损耗主要是由SOS波导与SOI波导锥体结构的界面菲涅尔反射损耗和SOI波导锥形结构的模式转换损耗共同决定的。建立了菲涅耳反射损耗和SOI波导锥形结构的保形变换理论模型,并通过MATLAB编程软件和FD-BPM专业软件模拟导波模式转换效率接近80%,获得了SOI波导锥形结构的优化长度与等效折射率。模拟光纤-SOI波导端面耦合损耗为0.8-1.0d B/facet。二、根据化学反应中质量守恒和氧化生长动力学的Deal-Grove模型,对亨利定律气体常数建立热力学理论模型,利用Pfeffer/Ohring模型和Kostinski模型,选择较低的活化能和较高的扩散系数,模拟了Si O2的生长速率和生长厚度分别与氧化温度和氧化时间的二维依赖关系。此外,作为比较,选择偶极溶剂的6组统计数据来计算亨利定律气体常数,并利用亨利定律气体常数与温度的关系建立统计物理经验模型,利用Pfeffer/Ohring模型,选择H2O分子在Si O2中的扩散系数和活化能为D0=1.0×10-10m~2·s-1/Ea=0,系统地模拟了Si O2的生长速率和生长厚度分别对氧化温度和氧化时间的依赖关系。通过热力学理论模型和统计物理经验模型的分析表明,热力学理论模型可以模拟硅的高温氧化过程,用统计物理经验模型来检验热力学理论模型的数值模拟结果。当扩散系数和活化能为D0=1.0×10-10m~2·s-1/Ea=0时,采用Pfeffer/Ohring模型可以模拟出厚度小于3.0μm的Si O2芯层所需的氧化温度和氧化时间;当扩散系数和活化能为D0=8.4×10-7m~2·s-1/Ea=1.47×10-19J时,采用Kostinski模型可以模拟出厚度大于3.0μm的Si O2芯层所需的氧化温度和氧化时间。三、通过LOCOS技术来制备SOS条形波导,采用电子束光刻技术制作SOI波导锥形结构和SOI脊形波导,SOS条形波导、SOI波导锥形结构和SOI脊形波导组成有Taper结构模式转换器的SOI波导。为了保证Si条形波导完全被氧化,在氧化反应中通入过量的水蒸气,因此,在1240℃氧化3 h,生成Si O2芯层的厚度为3.0μm。通过测量SOI脊形波导、无Taper结构模式转换器的SOI波导和有Taper结构模式转换器的SOI波导三种芯片样品的端面耦合损耗值发现,有Taper结构模式转换器的SOI波导与光纤的端面耦合损耗值最低,证明了采用LOCOS技术制作Si O2波导芯和SOI波导锥形结构组成的模式转换器,在降低SOI波导与光纤端面耦合损耗方面发挥重要作用。
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