U201214277_熊奇_高消光比硅基帶通濾波器研究

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文高消光比硅基帶通濾波器研究院 系_光學(xué)與電子信息學(xué)院_專業(yè)班級(jí)_光電1207_姓 名_熊 奇_學(xué) 號(hào)_U201214277_指導(dǎo)教師_汪 毅_2016年 月 日華 中 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交

2、論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日 摘 要目前，在光通信和量子信息等領(lǐng)域，高消光比的帶通濾波器有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，不管是傳統(tǒng)的帶通濾波器，還是光纖光柵結(jié)構(gòu)的濾波器，都有他們的缺點(diǎn)和局限性。相比之下，硅基波導(dǎo)對(duì)于光場(chǎng)的束縛能力可提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，高精度的硅加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本制備硅基波導(dǎo)。因此，采

3、用硅基波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高消光比帶通濾波器，具有尺寸小、功耗低且易于集成的優(yōu)勢(shì)。布拉格光柵作為基礎(chǔ)光學(xué)器件，在光纖通信領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成功。同樣這些成就可以被借鑒到集成光學(xué)中來。在SOI材料上制作波導(dǎo)和光柵的工藝已經(jīng)非常成熟。利用布拉格光柵是反射型光柵的特性，我們可以以此來設(shè)計(jì)和制作硅基帶通濾波器。在本論文中，我們建立了基于硅基布拉格光柵波導(dǎo)的帶通濾波器的理論模型，模擬分析了器件的傳輸特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)。最后，我們依托實(shí)驗(yàn)室的微納工藝制備平臺(tái)，采用先進(jìn)的電子束曝光和高精度刻蝕工藝，制備了器件原型，并測(cè)試了器件的工作特性。 關(guān)鍵詞：硅基波導(dǎo)；布拉格光柵；帶通濾波器；高消光比AbstractNow

4、adays, band-pass filters with high extinction ratio play a very important role in optical communications and quantum information. However, neither traditional band-pass filters nor filters based on fiber gratings have their own limitations. Compared to those structures, silicon-based waveguides enab

5、le tight field confinement and reduction of device footprint. In addition, high-precision fabrication technology for silicon optoelectronic devices makes it possible to fabricate silicon waveguides extensively and low-costly. These advantages allow us to achieve band-pass filters with high extinctio

6、n ratio, small size, low power dissipation and easy integration. As a fundamental device in optical system, Bragg grating has been achieved great success in optical fiber communication. With the advanced fabrication technology of silicon waveguides and gratings on the silicon-on-insulator (SOI) plat

7、form, those achievements can also be used in silicon photonics. Relying on the reflection characteristics of Bragg gratings, we can design band-pass filters on SOI chips.In this thesis, we demonstrated a theory of band-pass filters based on Bragg grating waveguides (BGWs), simulated the transmission

8、 characteristics of the device, and then optimized our design. Finally, we fabricate the device and test it.Key Words：Bragg grating waveguide; band-pass filter; high extinction ratio目 錄摘要Abstract1 緒論11.1 引言11.2 硅基光子學(xué)的發(fā)展21.3 波導(dǎo)光柵簡(jiǎn)介31.4 光柵濾波器32 布拉格光柵波導(dǎo)理論52.1 引言52.2 布拉格光柵波導(dǎo)73 布拉格光柵波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與分析93.1 FDTD簡(jiǎn)介93

9、.2 波導(dǎo)仿真94 制作與測(cè)試174.1 制作工藝174.2 產(chǎn)品制作224.3 測(cè)試235 結(jié)論24致謝26參考文獻(xiàn)27附錄 29華 中 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）1 緒論1.1 引言21世紀(jì)是信息的時(shí)代，信息在各個(gè)領(lǐng)域的地位已經(jīng)變得越來越重要。時(shí)至今日，伴隨人們的物質(zhì)、精神文明的快速發(fā)展的同時(shí)，社會(huì)信息量也在爆炸式增長(zhǎng)。由電載信息變?yōu)楣廨d信息，以光通信代替電通信，是順應(yīng)21世紀(jì)通信領(lǐng)域向前發(fā)展大背景的需求，亦將是21世紀(jì)前半葉通信方向研究的主旋律。一般來說，只要是用光來傳遞信息的，都可以稱為光通信。長(zhǎng)城邊塞烽火狼煙等原始通信手段就是最早期的“光通信”，發(fā)展到后來，有了以旗幟、

10、信號(hào)燈還有手段進(jìn)行交流的通信手段。發(fā)展到上世紀(jì)，已經(jīng)有學(xué)者認(rèn)識(shí)到，光作為一種電磁波，它的頻率比微波要高得多，如果使用光當(dāng)做載波，理論上可以讓信道的通信容量提升好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。直到1960年，世界上第一臺(tái)激光器的出現(xiàn)，為光通信系統(tǒng)提供了高能量、寬窄帶的穩(wěn)定相干光源。光通信的第一個(gè)、也是最重要的難題就迎刃而解。接著在1966年，華裔科學(xué)家高琨首次提出，如果能夠降低玻璃中的雜質(zhì)濃度，那么理論上玻璃纖維作為光的傳輸介質(zhì)損耗低于20dB/km，這也就是后來在通信領(lǐng)域大放異彩的光纖。至此，穩(wěn)定的相干光源和低損耗的傳輸介質(zhì)都已問世，光纖通信時(shí)代的正在大步向我們走來，為接下來幾十年光通信技術(shù)的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)

11、。隨著光纖通信技術(shù)不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，光纖已經(jīng)成功取代了其他通信鏈路，成為了中、遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中傳輸鏈路的首選。近年來，隨著光纖與光電子技術(shù)的發(fā)展，一系列新穎的功能性光器件的隨之問世，人們向著全光通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)越走越近?，F(xiàn)在，光互聯(lián)技術(shù)在各個(gè)國(guó)家、各個(gè)領(lǐng)域都獲得了令人矚目的成功。但是，在電路板間、芯片間和芯片內(nèi)的通信系統(tǒng)中，仍然高度依賴于導(dǎo)線的電互聯(lián)。但是，隨著人們生活節(jié)奏越來越快，需要處理信息量也越來越高，同時(shí)要求的處理速度也越來越快，處理器中集成的核數(shù)也在不斷的增加。這就要求電子計(jì)算機(jī)的處理器都需要更高、更強(qiáng)、更快的信息處理、交換能力。然而現(xiàn)有的電互聯(lián)技術(shù)仿佛嚴(yán)重制約了處理器性能的提升，器件

12、的大小、功耗、存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度等問題使得電互聯(lián)在現(xiàn)在的通信需求中顯得捉襟見肘，難以擔(dān)當(dāng)未來多核、甚至多維芯片的信息交互的大任。集成光學(xué)就是在這樣的大背景下孕育而生，旨在于用光器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子器件，將以前分立的光器件全部集成到一塊小小的硅片上，并且把器件做小做精，完成某些光處理的目的。甚至可以光為信息的載體，完成集成電路能夠?qū)崿F(xiàn)的的部分甚至所有功能。在過去的幾十年里，集成光學(xué)領(lǐng)域日新月異，理論不斷成熟、完善，技術(shù)不斷創(chuàng)新，新結(jié)構(gòu)、新產(chǎn)品層出不窮。集成光學(xué)煥發(fā)著自身獨(dú)特的魅力，吸引著越來越多的學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究、探索，并在各個(gè)領(lǐng)域開始發(fā)揮著越來越重要的作用。 1.2 硅基光子學(xué)的發(fā)展硅在是

13、自然界的分布廣泛，但在人類發(fā)展的早期，比起銅、鐵、鋼等材料來，硅一直默默無聞。直到在近現(xiàn)代發(fā)展起來的微電子行業(yè)，大量使用以硅為代表的半導(dǎo)體材料，才使得硅材料大放異彩，成為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的材料之一。以硅、鍺等半導(dǎo)體材料為代表的的電子領(lǐng)域在過去的半個(gè)世紀(jì)中取的了驕人的成績(jī)，半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)軍電子器件領(lǐng)域跨越式前進(jìn)，強(qiáng)力推動(dòng)著現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。并且隨著半導(dǎo)體行業(yè)大步向前發(fā)展，人們對(duì)硅材料的了解更加深刻、應(yīng)用更加熟練，使得硅工藝加工制造行業(yè)在半導(dǎo)體市場(chǎng)擁有了驚人的產(chǎn)能、占據(jù)著無與倫比的地位。硅材料取得了如此巨大的成功，自然引起了光通信領(lǐng)域?qū)W者的目光，順理成章的成為了集成光子器件的首選材料。雖然硅在通訊波

14、段同樣具有很小的損耗，但是硅作為光器件的原材料也存在一些明顯的不足。一方面，硅是間接帶隙材料，我們知道間接帶隙材料在發(fā)光和探測(cè)方面是有天生缺陷的；另一方面，單晶硅因?yàn)槠涮厥獾木Ц窠Y(jié)構(gòu)，很難直接進(jìn)行高速電光調(diào)制。雖說如此，硅材料在光學(xué)和光電子領(lǐng)域仍有它明顯的優(yōu)勢(shì)，主要有：（1）與現(xiàn)在先進(jìn)且成熟的CMOS工藝兼容，具備良好的工藝技術(shù)支持，方便實(shí)現(xiàn)片上電光集成；（2)硅材料在地球上分布非常廣泛，來源充分，成本低，適合進(jìn)行工廠大規(guī)模生產(chǎn)；（3）硅折射率大，對(duì)光場(chǎng)的限制性強(qiáng)，意味著可以把器件的尺寸做的更小，提高集成度；（4）在通信波段硅的傳輸損耗小，這對(duì)于成為光的傳輸媒介來說至關(guān)重要。硅基光子學(xué)從其誕生

15、到現(xiàn)在的幾十年的發(fā)展歷程中，展現(xiàn)出了非?；钴S的前進(jìn)動(dòng)力，大力推動(dòng)了硅基光子領(lǐng)域穩(wěn)步向前發(fā)展。1.3 波導(dǎo)光柵簡(jiǎn)介光柵的定義是指在空間結(jié)構(gòu)或這光學(xué)參量（如折射率）分布具有周期性變化的衍射系統(tǒng)。光柵的歷史可以追溯到幾百年前，隨著時(shí)間的推移，光柵就不斷的被人們所研究、認(rèn)識(shí)，成為了光學(xué)科研、設(shè)計(jì)中不可或缺的基礎(chǔ)光學(xué)器件。經(jīng)過了光學(xué)領(lǐng)域?qū)W者們不斷的探索研究，光柵的理論基礎(chǔ)不斷的得到創(chuàng)新和發(fā)展，制作工藝不斷的被完善和超越。發(fā)展到現(xiàn)在，各種材料、各種結(jié)構(gòu)的光柵層出不窮，光柵的作用十分強(qiáng)大，功能十分全面，已經(jīng)成為了光學(xué)系統(tǒng)中最重要的元器件之一，。隨著集成光子領(lǐng)域的快速發(fā)展，硅基波導(dǎo)光柵已經(jīng)成為了目前集成光學(xué)領(lǐng)

16、域中十分重要的理論創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)研究方向，大量科研工作者已經(jīng)在光柵的理論、作用機(jī)制、制備工藝等方面都了取得了豐厚的成就。波導(dǎo)光柵是指波導(dǎo)的包層、芯層或襯底等介質(zhì)的光學(xué)參量或波導(dǎo)尺寸分布呈現(xiàn)規(guī)律性周期變化的光路系統(tǒng)。波導(dǎo)光柵的種類很多，從不同的角度有著不同的分類。從周期來分，可分為布拉格光柵（周期小于1um，又稱反射光柵）和長(zhǎng)周期光柵（周期達(dá)到幾十至幾百微米，又稱透射光柵）。從波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來分，可分為平面光柵和立體光柵。從光柵折射率調(diào)制方式分類，可分為皺折式周期分布和折射率式周期分布。從光柵軸向折射率分布來分類，可以分為均勻光柵、啁啾光柵、高斯變跡光柵、相移光柵、傾斜光柵等。圖1-1為幾種典型的波導(dǎo)光柵

17、器件的結(jié)構(gòu)。圖1-1 幾種典型的布拉格光柵波導(dǎo)器件的電鏡圖。3隨著研究的深入不斷擴(kuò)大，越來越多的波導(dǎo)光柵器件被運(yùn)用到波導(dǎo)耦合器、偏振分離器、濾波器等大量的硅基光子集成器件中。硅基波導(dǎo)光柵由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面、制備技術(shù)與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，在硅基光子集成系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，被廣泛應(yīng)用到集成光路的有源和無源器件中。由此可見，我們完全有可能，把布拉格光柵在光纖通信領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用到光子集成領(lǐng)域中來。1.4 光柵濾波器布拉格光柵是反射型光柵，它的工作原理就是將處于光柵周期對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光的反射回去，從而在向前傳輸?shù)墓庾V中出現(xiàn)一個(gè)帶阻區(qū)，從透射端來看它是個(gè)帶阻濾波器，而從反射端來看則

18、是一個(gè)帶通濾波器。因此，布拉格光柵既可以作透射端的帶阻濾波器，也可以作為反射鏡的帶通濾波器使用。經(jīng)過一系列學(xué)者的研究，由各種布拉格光柵結(jié)構(gòu)制作而成的片上光波導(dǎo)已經(jīng)理論已經(jīng)非常成熟，制作工藝也非常先進(jìn)。目前除了布拉格光柵結(jié)構(gòu)的濾波器外，還有其他濾波器結(jié)構(gòu)，例如微環(huán)諧振腔、馬赫森德干涉儀等等。其中，以微環(huán)諧振腔為基礎(chǔ)的光學(xué)濾波器是比較受歡迎的選擇之一。它的好處有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊密的空間結(jié)構(gòu)還有良好的可伸縮性。圖1-2為某具有彎曲耦合器的微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的濾波器的電鏡圖。圖1-2 （a）具有彎曲耦合器的5微環(huán)濾波器的SEW照片。（b）彎曲耦合器的SEW照片詳情。22 布拉格光柵波導(dǎo)理論2.1 引言SOI材

19、料是一種新型的硅基集成電路和光電子集成材料，它由三層構(gòu)成。它將一薄層作為器件層，在它下面是二氧化硅，上面是空氣或者二氧化硅。由于兩側(cè)材料的折射率很低，形成了高折射率差，大部分光將集中在高折射率的硅波導(dǎo)層中傳播，因此波導(dǎo)的尺寸可以減小到幾百納米寬。光在平面波導(dǎo)中傳輸時(shí)，需要滿足麥克斯韋方程，波導(dǎo)的材料和結(jié)構(gòu)尺寸就是對(duì)應(yīng)的邊界條件。我們所關(guān)心的波導(dǎo)中的模式就是邊界條件對(duì)應(yīng)的本征函數(shù)，波導(dǎo)中的傳輸常數(shù)就是對(duì)應(yīng)該模式的本征值。通常波導(dǎo)的模式根據(jù)偏振分為TE（橫電波）和TM（橫磁波）。TE模是指電場(chǎng)只存在于垂直光傳播方向上的模式；TM模指磁場(chǎng)只存在于垂直傳播方向上的模式。在500nm´220n

20、m的標(biāo)準(zhǔn)納米線波導(dǎo)中場(chǎng)圖如圖：圖2-1 TE模式下光場(chǎng)分布波導(dǎo)中圖2-2 TM模式下光場(chǎng)在波導(dǎo)中的分布目前，人們對(duì)發(fā)展在絕緣硅片上制作的TM模波導(dǎo)器件的需求日益增長(zhǎng)。在為TM模式運(yùn)作設(shè)計(jì)時(shí)，很多器件可以做的很精細(xì)，或者表現(xiàn)良好。比如說，由于TM模式可以實(shí)現(xiàn)更高的耦合率，定向耦合器可以做的更小。與使用TE模式的探測(cè)器相比，利用TM模式瞬逝場(chǎng)的探測(cè)器具有更高的靈敏度。依靠日益提高的封裝效率，同時(shí)在絕緣硅芯片上使用邊緣耦合系統(tǒng)良好的魯棒性，將TE、TM兩種模式分離，并分別利用邊緣耦合器從標(biāo)準(zhǔn)光纖中耦合到硅基芯片上的方法引起業(yè)界濃厚的興趣。為此，TE、TM起偏器，偏振旋轉(zhuǎn)器，偏振分束器，偏振分束旋轉(zhuǎn)器

21、的存在，讓我們可以將TE設(shè)備與TM設(shè)備有機(jī)的結(jié)合在一起。例如，在包含C波段與L波段的寬200nm的波長(zhǎng)帶上，利用低損耗的偏振旋轉(zhuǎn)器，我們可以將基TE模轉(zhuǎn)換成基TM模，其中的插入損耗低于0.5dB；而將基TM 模轉(zhuǎn)換成TE模的插入損耗低于1dB。正是由于這些器件擁有低的插入損耗與寬的波長(zhǎng)帶，使得TM設(shè)備與TE設(shè)備可以高效的結(jié)為一體。事實(shí)上，使用TM模式比TE模式有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在同樣的波導(dǎo)中，TM波比TE波具有更平滑的光譜響應(yīng)以及更低的傳輸損耗。同時(shí)，TM波在布拉格光柵里的耦合系數(shù)比TE波更小。因此，使用TM波，則標(biāo)準(zhǔn)布拉格光柵就可以從中獲得高質(zhì)量的光譜響應(yīng)能力，比如窄帶寬和高消光比。由于這些光

22、柵需要小的耦合系數(shù)跟低的傳輸損耗，使用TM波的波導(dǎo)對(duì)于啁啾布拉格光柵同樣適用。這種TM啁啾布拉格光柵可以獲得在寬通帶上 負(fù)斜率的線性群時(shí)延。而負(fù)的群時(shí)延可以用作光學(xué)色散補(bǔ)償。此外，一個(gè)完整的微波光子信號(hào)的處理要求：高質(zhì)量，低傳輸損耗以及低光柵耦合系數(shù)，而這些需求都可以從使用TM波中受益。2.2 布拉格光柵波導(dǎo)在絕緣硅片上制作的布拉格光柵波導(dǎo)吸引著研究光通信和傳感器領(lǐng)域的興趣。直到現(xiàn)在，絕大部分工作都致力于研究為TE波運(yùn)作的布拉格光柵波導(dǎo)。通常相比較而言，這類器件耦合系數(shù)更大，這意味著它們更短而且?guī)捀?。但是，為了達(dá)到窄帶寬跟高消光比的目的，我們需要小的耦合系數(shù)和長(zhǎng)的光柵長(zhǎng)度。這里有幾個(gè)讓TE

23、模布拉格光柵波導(dǎo)的耦合系數(shù)更小的辦法。比如說，其中一種方法是在長(zhǎng)條波導(dǎo)的側(cè)面添加上小于10納米的褶皺結(jié)構(gòu)。這種褶皺結(jié)構(gòu)難以加工制造，受制于制作使用的光刻技術(shù)。另一種方法是在脊形波導(dǎo)的凸起部分或者平板部分的側(cè)面上添加較大的褶皺結(jié)構(gòu)。但是，脊形波導(dǎo)其中有兩步需要用到蝕刻工藝，這會(huì)增加制造費(fèi)用。相比之下，由于TM模在波導(dǎo)中受到的光學(xué)限制更小，使用這種在220nm厚的波導(dǎo)上應(yīng)用的典型的500nm寬的TM 模布拉格光柵，可以在長(zhǎng)條波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)大褶皺的同時(shí)擁有小的耦合系數(shù)。圖1a和圖1b分別展示了，在二氧化硅覆層上的500nm×220nm的長(zhǎng)條波導(dǎo)中，基TE波與基TM波各自受到的波導(dǎo)約束。正如上面

24、所說的，為了使他們?cè)诠鈱W(xué)響應(yīng)上能實(shí)現(xiàn)大的消光比和小的耦合系數(shù)，這種TM模布拉格光柵波導(dǎo)需要更長(zhǎng)的光柵長(zhǎng)度，長(zhǎng)度大約幾毫米。圖2-3 布拉格光柵波導(dǎo)的原理示意圖1。布拉格光柵波導(dǎo)就是在條波導(dǎo)兩側(cè)面刻蝕布拉格光柵，其原理結(jié)構(gòu)如上圖所示，光柵刻蝕深度。越大，耦合越強(qiáng)，帶寬越寬。光柵周期是個(gè)常數(shù)，它決定了光譜響應(yīng)的中心波長(zhǎng)，根據(jù)相位匹配條件，可以通過下式計(jì)算出光柵周期對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)： (2-1)其中是光柵周期，是等效折射率。為了使得中心波長(zhǎng)是1550nm，光柵周期需為444nm。為了考慮工藝容差，可以把光柵周期變化10nm，即包含兩個(gè)434nm和454nm的額外光柵 。然后利用FDTD Solutio

25、ns仿真得到光柵對(duì)應(yīng)的透射光譜，從而獲得和帶寬。然后耦合系數(shù)可以由下式計(jì)算： （2-2） 式中，是波導(dǎo)的群折射率。3 布拉格光柵波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與分析3.1 FDTD簡(jiǎn)介時(shí)域有限差分法（FDTD）是目前最新、最好的解決復(fù)雜幾何條件下麥克斯韋方程組的方法。它是一個(gè)完全的矢量方法，同時(shí)給出了時(shí)域和頻域的信息，給電磁學(xué)和光子學(xué)類似的問題都給出了統(tǒng)一的算法。這個(gè)方法在空間和時(shí)間上都是離散的。電磁場(chǎng)和目標(biāo)結(jié)構(gòu)的材料特性都采用三維單元格組成的獨(dú)立的網(wǎng)孔中來描述。使用時(shí)域有限差分法，在離散的時(shí)域中求解麥克斯韋方程，所用的時(shí)間長(zhǎng)短，跟光通過網(wǎng)孔所用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)孔大小無線趨于零時(shí)，這個(gè)方法確切的描述了麥克斯韋方程，

26、對(duì)應(yīng)的就求解出來了麥克斯韋方程組在時(shí)域上的解析解。3.2 波導(dǎo)仿真本次仿真主要使用Lumerical公司的FDTD Solutions軟件，該軟件利用可視化的圖形繪制界面來設(shè)計(jì)器件，并使用時(shí)域有限差分法來仿真計(jì)算得出最后的仿真結(jié)果。利用FDTD，我們可以很輕松的對(duì)器件進(jìn)行圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真。我們?cè)O(shè)計(jì)的帶通濾波器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是布拉格光柵波導(dǎo)，首先為了了解布拉格光柵波導(dǎo)是反射光柵的特性，我對(duì)布拉格光柵進(jìn)行了仿真模擬。光波在波導(dǎo)中向前傳輸時(shí)怎么樣的一種狀態(tài)呢？我們知道由于SOI材料器件層是硅，折射率比兩側(cè)的二氧化硅或者空氣要高很多，光場(chǎng)會(huì)被約束在波導(dǎo)中。下圖3-1和圖3-2分別演示了不同波段的光波在5

27、00nm寬的布拉格光柵波導(dǎo)中傳輸時(shí)，其中光場(chǎng)的強(qiáng)度分布圖。其中，圖3-1為光源波長(zhǎng)范圍在通帶內(nèi)的光波，禿3-2為光源波長(zhǎng)范圍在通帶外的光波。從圖中可以清楚的光波在先前傳輸時(shí)，光場(chǎng)被強(qiáng)烈的限制在波導(dǎo)中，并且受到了布拉格光柵的調(diào)制，光場(chǎng)強(qiáng)度形式大致呈周期性分布，波導(dǎo)寬的地方光場(chǎng)強(qiáng)度比波導(dǎo)窄的地方光場(chǎng)強(qiáng)度更高。而且，比較兩個(gè)圖我們可以發(fā)現(xiàn)，處于通帶內(nèi)的波段的光可以沿著波導(dǎo)向前傳輸，而處于通帶外波段的光隨著波導(dǎo)向前傳輸?shù)脑絹碓饺踝罱K趨向于完全消逝。由于布拉格光柵是反射型光柵，它把處于諧振波長(zhǎng)的光反射回去，使其反向傳播傳播，所以這部分光隨著反射次數(shù)越來越多，越來越多份量的場(chǎng)被反射回去。這樣，在透射端看來

28、，這部分光不能通過波導(dǎo)，在光譜圖中表現(xiàn)為一個(gè)凹陷的帶阻區(qū)。而在反射端看來，這部分光其實(shí)是被反射回去了，在反射端接收到的光譜能量大部分都是這些波段的光，所以在反射端光譜圖中呈現(xiàn)一個(gè)凸起的帶通區(qū)。在后面會(huì)看到更明顯的對(duì)比。圖3-1 通帶內(nèi)的光波在布拉格光柵波導(dǎo)中傳輸時(shí)場(chǎng)分布圖，可以看到光波被約束在波導(dǎo)中，并受到了布拉格光柵的調(diào)制。圖3-2 通帶外的光波在布拉格光柵波導(dǎo)中傳輸時(shí)場(chǎng)分布圖，可以看到光場(chǎng)在向前傳輸時(shí)，隨著波導(dǎo)長(zhǎng)度的增大逐漸消逝。光波在布拉格光柵中向前傳輸時(shí)，由于布拉格光柵是反射型光柵，處于諧振波長(zhǎng)的光波會(huì)被耦合到反射的模式中，所以在透射端來看這是一個(gè)帶阻濾波器；然而在入射端來看，把布拉格

29、光柵看成一個(gè)反射鏡，這樣它就是一個(gè)帶通濾波器。只有在諧振波長(zhǎng)處的光波才會(huì)被反射回來，這就是我們利用布拉格波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)帶通濾波器的基礎(chǔ)原理。圖3-3展示了在出射段和入射段的分別觀察時(shí)，其光譜響應(yīng)的仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出，對(duì)同一段波導(dǎo)光柵來說，確實(shí)從出射段來看就是一個(gè)帶阻濾波器，從入射段來看就是一個(gè)帶通濾波器，而且中心波長(zhǎng)幾乎一致，帶寬也大致相同。這與理論預(yù)期的情況是一致的。所以在實(shí)際應(yīng)用中，我們利用這種結(jié)構(gòu)制作的器件，可以有兩個(gè)端口，一個(gè)端口是帶通特性，一個(gè)端口是帶阻特性，這樣一個(gè)器件發(fā)揮兩種互補(bǔ)的功能，提高產(chǎn)品適用性，降低成本。實(shí)際上已經(jīng)有器件可以這么做了，并且有兩個(gè)端口分別完成帶通和帶阻

30、的工作。圖3-3 藍(lán)線R為反射端光譜，綠線T為透射端光譜。我們知道，相同的光柵周期和寬度下，波導(dǎo)越長(zhǎng)，耦合次數(shù)越高，自然可以獲得更高的消光比；但是波導(dǎo)過長(zhǎng)，損耗過高，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生損傷，同樣也會(huì)影響濾波效果。所以，理論上肯定可以得到一個(gè)光譜響應(yīng)最佳的時(shí)候的波導(dǎo)長(zhǎng)度。為了得到最佳的波導(dǎo)長(zhǎng)度，我從100個(gè)周期開始逐次提高光柵周期數(shù)（波導(dǎo)長(zhǎng)度）觀察仿真得到光譜響應(yīng)圖，如圖3-4所示：圖3-4 相同的光柵周期和情況下，不同的波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)反射譜的影響。上圖中所有布拉格光柵的光柵周期都是444nm，均為160nm，僅有周期數(shù)（波導(dǎo)長(zhǎng)度）的改變。從圖中可以看出，一開始增大波導(dǎo)長(zhǎng)度確實(shí)會(huì)增大消光比，濾波效果看得出來

31、有明顯的改善。但由于我們是利用布拉格光柵的反射諧振波長(zhǎng)范圍的光，所以長(zhǎng)度在達(dá)到一定程度后，更長(zhǎng)的波導(dǎo)其濾波效果并不沒有觀察到明顯的變化。因?yàn)榻?jīng)過前面的光柵將諧振波長(zhǎng)處的光波反射后，波導(dǎo)中該波長(zhǎng)的光已經(jīng)微乎其微，那么后續(xù)的光柵對(duì)反射耦合的貢獻(xiàn)就完全沒有最開始的光柵貢獻(xiàn)大。由于自己電腦硬件原因更長(zhǎng)的波導(dǎo)長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)難以仿真，最終我只仿真到1000個(gè)周期。所以在對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)的探討時(shí)，我都采用100個(gè)光柵周期的波導(dǎo)長(zhǎng)度進(jìn)行仿真。正如前面所述，布拉格光柵是反射型光柵，其對(duì)應(yīng)反射峰的中心波長(zhǎng)主要由光柵周期決定。根據(jù)相位匹配條件，我們可以計(jì)算出中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光柵周期。為了使中心波長(zhǎng)對(duì)齊通信波段的15

32、50nm，光柵周期應(yīng)該為444nm。為了觀察光柵周期的工藝容差等微擾對(duì)的中心波長(zhǎng)影響，我仿真了3個(gè)光柵周期434nm，444nm，454nm。FDTD Solutions軟件可以讓我們輕易的仿真不同光柵周期的布拉格光柵波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的反射譜。結(jié)果如圖3-5。圖中測(cè)量了=444nm，=160nm的布拉格光柵波導(dǎo)的3dB帶寬大約為8nm，其最大的消光比可以達(dá)到15dB。圖3-5 長(zhǎng)度均為100個(gè)周期，均為160nm，光柵周期分別為434nm，444nm，454nm?？梢钥吹讲煌鈻胖芷趯?duì)反射譜中心波長(zhǎng)偏移的影響。從上圖可以看出，光柵周期對(duì)反射光譜的中心波長(zhǎng)確實(shí)有很大影響，這跟理論是符合的。為了具體的探究

33、光柵周期與中心波長(zhǎng)的關(guān)系，我選取從420nm到456nm中各7個(gè)周期的布拉格光柵波導(dǎo)，周期分別為420nm，426nm，438nm，.，456nm。對(duì)這些不同周期的布拉格光柵波導(dǎo)分別進(jìn)行仿真后，觀測(cè)其光譜響應(yīng)對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)。這些布拉格光柵波導(dǎo)的均為160nm，長(zhǎng)度均為100個(gè)周期，仿真結(jié)果如圖3-6。圖3-6 不同光柵周期對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)可以看出，隨著光柵周期逐步增大，其對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)表現(xiàn)為近似線性增大的趨勢(shì)。這與理論公式是吻合。理論上來說，布拉格光柵的寬度，影響著布拉格光柵的耦合強(qiáng)度。越大，光柵刻蝕的就越深，則光柵對(duì)其對(duì)應(yīng)的耦合光的耦合強(qiáng)度越強(qiáng)，相應(yīng)的會(huì)引起帶寬、消光比的改變。但是過寬，會(huì)影響

34、到波導(dǎo)本身的結(jié)構(gòu)，會(huì)使得波導(dǎo)的等效折射率發(fā)生較大的改變，影響波導(dǎo)本身的通光性能。一般光柵寬度可以從40nm-160nm任意變化。為了看到對(duì)光譜響應(yīng)的影響，我選取了從40nm，60nm，80nm，.，160nm7個(gè)不同的光柵對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)圖，結(jié)果如圖3-6。圖3-6 相同光柵周期=444nm下，不同皺折深度對(duì)應(yīng)的不同透射譜圖中可以看出，的改變，主要影響了光柵的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響了整體濾波譜的帶寬和抑制比，且越大，帶寬越寬，消光比也越大。同時(shí)可以看出，對(duì)中心波長(zhǎng)也有一定的影響，但相比于光柵周期的影響來說，產(chǎn)生的影響還是很小的。下圖3-7給出了相同的波導(dǎo)長(zhǎng)度和光柵周期下，不同的所對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)是多少

35、?？梢钥闯?，隨著變大，中心波長(zhǎng)會(huì)往短波長(zhǎng)偏移。相對(duì)于光柵周期對(duì)中心波長(zhǎng)的影響來說，對(duì)中心波長(zhǎng)偏移的影響只是次要因素，中心波長(zhǎng)主要還是由光柵周期來決定。圖3-7 相同光柵周期444nm下，不同皺折深度的透射譜如何增大濾波器的帶寬，這也是在改善濾波器性能是需要考慮的問題。在學(xué)習(xí)光纖光學(xué)時(shí)，曾知道相比于光纖布拉格光柵，啁啾布拉格光柵可以增大反射譜的帶寬。于是我想到在硅基波導(dǎo)中，同樣的布拉格光柵結(jié)構(gòu)，如果使用啁啾布拉格光柵會(huì)不會(huì)有同樣的效果呢？采取這種思路，接下來我根據(jù)不同光柵周期對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，選取了一個(gè)周期變化范圍，從440nm到450nm光柵周期每次變化2nm，設(shè)計(jì)了一個(gè)啁啾布拉格波導(dǎo)光柵。如下

36、圖3-8所示為它的光譜響應(yīng)，其為160nm。圖3-8 黑線為啁啾光柵，紅線為非啁啾光柵上圖中紅線代表的非啁啾布拉格光柵的光柵周期為444nm，為160nm；黑線代表的啁啾光柵相同，光柵周期從440nm到450nm循環(huán)每次增大2nm。圖中，我們可以看到，啁啾結(jié)構(gòu)改善了濾波譜兩邊的旁瓣。然而從光譜圖總，我們并沒有看到預(yù)期的帶寬明顯的改變，而譜線中心波長(zhǎng)的偏移是因?yàn)檫惫鈻诺刃У墓鈻胖芷跒?45nm，而非啁啾光柵的光柵周期為444nm。實(shí)際上啁啾可以使器件有個(gè)負(fù)的群時(shí)延，以達(dá)到補(bǔ)償色散的目的。4 制作與測(cè)試4.1 制作工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，硅基集成器件的制作工藝已經(jīng)成長(zhǎng)發(fā)展的非常完善了。如下圖4-1

37、所示，完整的光波導(dǎo)的制作工藝流程一般包括以下一些步驟。圖4-1 硅基器件制作原理框圖4.1.1 光刻光刻技術(shù)，總的來說就是利用曝光，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上的刻蝕技術(shù)。光刻的詳細(xì)步驟如下：1. 硅片的清洗和烘干清洗是將硅片原材料表面上的雜質(zhì)去除，或者減小針孔和去除其他缺陷。一般來說，清洗的方法有以下幾種：高壓氮?dú)庀创?，化學(xué)濕法清洗，等等。通常為了達(dá)到更好的清洗效果，會(huì)同時(shí)采用其中的幾種方法。只有一個(gè)干燥的表面才會(huì)表現(xiàn)為憎水性，才可以有效的增大光刻膠的粘附性，所以清洗后必須要烘干。烘干一般都采用低溫烘焙的方法，好處是溫度比較容易實(shí)現(xiàn)，而且烘焙后硅片能快速冷卻，從而可以快速進(jìn)行其他后續(xù)工藝操

38、作，以防在空氣中暴露時(shí)間過長(zhǎng)被污染。同時(shí)，為了增加光刻膠與硅表面的粘附性，除了使用脫水烘焙的方法外，還可以在硅片上先涂一層增粘劑，增粘劑可以很好的增加硅片表面的粘附能力。2. 涂膠涂膠就是在烘干后并冷卻了的SOI表面，涂抹上一層均勻的光刻膠薄膜。涂膠前。必須保證硅片表面很干燥和干凈。目前涂膠工藝主要是采用旋涂膠法，其具體方法是：在靜止的情況下將清洗干凈的并且烘干后的硅片放在支撐架上，讓片子因?yàn)檎婵毡晃?，然后把光刻膠滴在片子中央，加速旋轉(zhuǎn)，在硅子表面形成一層厚度均勻的薄膜。實(shí)驗(yàn)室中一般采用的是兩步旋轉(zhuǎn)法，第一步采用短時(shí)間，低轉(zhuǎn)速；第二步長(zhǎng)時(shí)間，高轉(zhuǎn)速。第一步的主要目的，是為了讓光刻膠均勻的分布

39、在硅片表面，第二步是為了使膠膜厚度達(dá)到我們制作需要的厚度。最后得到的膠膜厚度一定要是均勻的。此外，因?yàn)楣饪棠z中含有感光劑，一定要避免光刻膠在曝光前就發(fā)生化學(xué)變化，一般進(jìn)行這種操作的實(shí)驗(yàn)室需要采用黃光氛圍。3. 前烘前烘就是，在完成涂膠操作后對(duì)基片進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?。其目的是為了是光刻膠中含有的少量的有機(jī)溶劑徹底揮發(fā)，從而提高光膠膜的吸附能力，使光刻膠更緊密。選擇適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)間進(jìn)行前烘。若溫度太高，則膠膜容易硬化，導(dǎo)致后續(xù)顯影不充分，降低光刻質(zhì)量。如果溫度太低或者時(shí)間太短，則光刻膠中有機(jī)溶劑可能沒有完全揮發(fā)，在顯影時(shí)容易造成線條彎曲、浮膠等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致在顯影或刻蝕時(shí)脫落。在涂完光刻膠后，

40、最好去除背面殘留的光刻膠。4. 曝光完成前烘后，下一步就是曝光了。曝光時(shí)，被曝光區(qū)域的光刻膠由于遇光發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成物是可溶于顯影液的。然后通過顯影時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的光刻膠會(huì)溶于顯影液，這樣就能把掩模版的圖形完整的轉(zhuǎn)移到光刻膠上面。需要注意的是，曝光時(shí)掩模版與需要光刻的區(qū)域要對(duì)準(zhǔn)，而且要調(diào)節(jié)曝光參數(shù)：曝光gap和曝光時(shí)間。對(duì)準(zhǔn)就是讓需要光刻的圖形處于基片的中心區(qū)域，如果是一次光刻，可以肉眼直接觀測(cè)校準(zhǔn)。只有最后壓出來的壓緊質(zhì)量高，壓的比較好的基片，才能獲得較好的曝光效果。曝光后一個(gè)很重要的參數(shù)就是圖形的分辨率。影響圖形分辨率的因素有很多，比如掩模版與膠膜的接觸好壞、光的反射和衍射現(xiàn)象等。5.

41、 后烘在曝光時(shí)，由于入射光會(huì)與反射光發(fā)生干涉，從而在基片上形成周期性過曝光和欠曝光，進(jìn)而影響光刻精度和分辨率。為了有效的緩解這個(gè)問題，在曝光之后，再對(duì)片子進(jìn)行的烘焙，這就是后烘。后烘是利用加熱時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)，使曝光和欠曝光區(qū)域的光刻膠分子發(fā)生重分布，以達(dá)到平衡干涉駐波效應(yīng)，提高光刻膠分辨率的目的。6. 顯影和定影顯影就是將后烘后的基片放在顯影液中，去除曝光區(qū)域的光刻膠，從而在光刻膠上的得到和掩模版我們繪制的圖形。定影就是指通過一定操作使光刻后的圖形更加牢固，一般放在水中一、兩分鐘以上即可。顯影時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致過顯影，使附近未曝光的光刻膠也被溶解掉，導(dǎo)致圖形表面不均勻。而顯影時(shí)間太短則會(huì)引起欠顯影

42、，圖形邊緣有很多毛刺，降低圖形的分辨率。由于大多數(shù)顯影液都是有毒的，所以要盡量選擇毒性小的顯影液。7. 堅(jiān)膜完成顯影后，還要先進(jìn)行堅(jiān)膜才能去刻蝕。堅(jiān)膜可以有效的提高膜的抗刻蝕能力。堅(jiān)膜時(shí)，需要注意選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和溫度。堅(jiān)膜后的基片需要經(jīng)過自然冷卻，溫度一般和前烘一樣。堅(jiān)膜之后，還要通過顯微鏡觀察光刻的效果怎么逛。光刻后的圖形是暫時(shí)的，但是刻蝕后的圖形是永久的。所以如果發(fā)現(xiàn)光刻后質(zhì)量較差，則需要將表面的光刻膠去除掉，再進(jìn)行一次光刻。8. 光刻膠最后介紹一下光刻膠。光刻膠是一種特殊的光敏性材料，在實(shí)際制作中，要求選取分辨率高、黏附性好、抗刻蝕性好的光刻膠。光刻膠分為正膠和負(fù)膠兩種，與之對(duì)應(yīng)選取不同

43、的顯影液。負(fù)膠便宜，粘附能力比正膠強(qiáng)；正膠的針孔數(shù)量和階梯覆蓋度比負(fù)膠好，雖然成本高更，但是精度比負(fù)膠大。目前，實(shí)驗(yàn)室中大部分都采用電子束光刻。電子束光刻的曝光波長(zhǎng)約為0.1埃，其衍射效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)，可以極大的提高光刻精度。電子束曝光跟傳統(tǒng)曝光不同的是，他是利用帶有能量的電子轟擊光刻膠表面，而不是光子，但都可以達(dá)到相同的目的。由于電子束光刻能忽略衍射效應(yīng)帶來的不利影響，現(xiàn)在的電子束光刻系統(tǒng)已經(jīng)能制作線條寬度小到10nm的器件。并且電子束光刻利用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)版圖，只需要給出圖形各點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以直接光刻出設(shè)計(jì)的圖形。因?yàn)樗^了制作掩模版的繁雜過程，所以制作周期可以大大縮短；而且由于

44、圖是用軟件畫的，可以很輕松的修改器件參數(shù)。相比之下，如果采用掩模版光刻，需要重新制作掩模版，浪費(fèi)時(shí)間、材料。電子束曝光也存在一些缺點(diǎn)，比如：制作精度要求高，設(shè)備價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曝光時(shí)采用的是逐點(diǎn)掃描的方法，曝光速度很慢，掃描面積小等。這些缺點(diǎn)都制約了它的使用性，所以大部分都是在實(shí)驗(yàn)室、科研單位中使用，還不能被廣泛應(yīng)用在大規(guī)模批量生產(chǎn)中。電子束曝光是號(hào)稱目前制作精度最高的曝光手段，在本次實(shí)驗(yàn)，我們使用的是電子束曝光。4.1.2 刻蝕通過光刻后，掩模版上的圖形就被轉(zhuǎn)移到光刻膠上了，接下來就要通過刻蝕，繼續(xù)把光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上去?？涛g工藝可以分為濕法和干法。濕法刻蝕是利用化學(xué)反應(yīng)的刻蝕工

45、藝，其優(yōu)點(diǎn)是工藝比較簡(jiǎn)單，對(duì)襯底的損傷小。但是缺點(diǎn)是產(chǎn)生比較嚴(yán)重的鉆蝕現(xiàn)象，難以制作線條精細(xì)度高的圖形，而且濕法刻蝕過程使用的化學(xué)材料也容易造成污染。因此濕法刻蝕有很大的局限性。干法刻蝕是利用等離子體進(jìn)行刻蝕，是亞微米級(jí)器件刻蝕的首選。干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)有：各向異性，刻蝕速率好控制，側(cè)壁垂直度較好，片子均勻性和可選擇性好，操作工藝穩(wěn)定，可適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。干法刻蝕種類有很多，本實(shí)驗(yàn)中使用的是電感耦合等離子體（ICP）刻蝕。電感耦合等離子體刻蝕具有方法簡(jiǎn)單、速度快、各向異性好、便宜等優(yōu)點(diǎn)。ICP刻蝕能達(dá)到的更好的側(cè)壁垂直度，更細(xì)的條紋精度，是目前亞微米級(jí)工藝刻蝕的首選方法。在完成刻蝕后，需要去除

46、基片表面殘留的光刻膠，這一步叫做去膠。光刻膠必須要去干凈，不然會(huì)對(duì)后面的步驟都有影響。如果只用一種方法去不干凈，那就同時(shí)使用多種方法去膠，去的越干凈越好，怎么干凈怎么來。4.2 產(chǎn)品制作依托指導(dǎo)老師汪毅老師的團(tuán)隊(duì)，我們利用國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室的硅基集成平臺(tái)進(jìn)行樣品制作。由于在繪制版圖的軟件中，在阿基米德螺旋線上畫刻蝕的光柵操作異常復(fù)雜，而用代碼的方式繪制短時(shí)間又難以學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)，最后我們采取折衷方法，制作了如下結(jié)構(gòu)的布拉格光柵波導(dǎo)進(jìn)行樣品測(cè)試。樣品版圖如圖4-2所示。設(shè)計(jì)的原理版圖如下圖所示。為了增大器件的封裝效率，在實(shí)際設(shè)計(jì)器件時(shí)，我把布拉格光柵波導(dǎo)給“折疊”起來，讓他在一個(gè)方形區(qū)域內(nèi)分布，而不是一個(gè)

47、非常長(zhǎng)的長(zhǎng)條形器件，這樣利于封裝，提高器件的材料利用率。圖4-2 圖中為設(shè)計(jì)的布拉格光柵波導(dǎo)的版圖，紅色為刻蝕部分，兩端為耦合器。折疊部分直波導(dǎo)為布拉格光柵波導(dǎo)，彎曲部分為標(biāo)準(zhǔn)納米線波導(dǎo)。圖4-2中，在波導(dǎo)的左右兩端口處接入耦合器，直波導(dǎo)部分為布拉格光柵波導(dǎo)，光柵周期為440nm，為160nm，彎曲部分為標(biāo)準(zhǔn)納米線波導(dǎo)，彎曲半徑為10m。一共2000個(gè)光柵周期，總長(zhǎng)度約為1mm。做出來的樣品的部分電子顯微鏡照片如圖4-3。圖4-3 最終設(shè)計(jì)制作出來的器件布拉格光柵部分的電子顯微鏡照片4.2 測(cè)試由于制造設(shè)備制作器件精度還有其他問題的影響，很遺憾制作出的器件并沒有通光，無法進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。5

48、總結(jié)和展望5.1 總結(jié)通過這一次歷經(jīng)一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)硅基光集成，特別是波導(dǎo)濾波器器件有了更清晰的了解和更深刻的認(rèn)識(shí)，這對(duì)我今后這方向的問題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。不管是前期的論文學(xué)習(xí)翻譯，還是中后期仿真軟件的學(xué)習(xí)，仿真結(jié)果的分析優(yōu)化，對(duì)我都有很大的鍛煉。我也從中學(xué)到了很多知識(shí)，獲得了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這是在課堂、書本中學(xué)不到的，只能自己去經(jīng)歷、體驗(yàn)的?？偟膩碚f，這次設(shè)計(jì)主要驗(yàn)證了利用布拉格光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作濾波器的可行性。不同于常用的多階微環(huán)結(jié)構(gòu)，或者是在脊波導(dǎo)上刻蝕光柵的結(jié)構(gòu)，我們這次研究對(duì)象是在條波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕布拉格光柵的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上探討了光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化對(duì)濾波特性的影響，加深了對(duì)布拉格光

49、柵的認(rèn)識(shí)。最后，我們做出這種基于布拉格光柵結(jié)構(gòu)的濾波器器件，并對(duì)該樣品器件進(jìn)行通光測(cè)試，與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證。5.2 不足與展望雖然從本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)了很多，但還是暴露出了自己在學(xué)習(xí)工作中的一些不足，直接或間接的導(dǎo)致設(shè)計(jì)有些地方?jīng)]法展開。由于自身電腦硬件問題，過長(zhǎng)的周期數(shù)計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)算不了，在仿真中我將仿真長(zhǎng)度都設(shè)定為100個(gè)周期，這當(dāng)然是不夠長(zhǎng)的，所以雖然濾波的形狀出來了，中心波長(zhǎng)也出來了，但是并沒有模擬出完美的箱形濾波波形，可能這是由于長(zhǎng)度不夠耦合次數(shù)太少導(dǎo)致的，增加波導(dǎo)長(zhǎng)度可能會(huì)改善這一結(jié)果。在參考文獻(xiàn)中其模擬長(zhǎng)度至少在1毫米，對(duì)應(yīng)的周期數(shù)至少在2000個(gè)周期以上。當(dāng)然在繪制

50、器件版圖的時(shí)候，我將整體長(zhǎng)度繪制為2000個(gè)周期，比1毫米短一點(diǎn)點(diǎn)。雖然在驗(yàn)證布拉格光柵結(jié)構(gòu)的可行性是足夠的，但是要探討波導(dǎo)長(zhǎng)度的問題上就缺乏對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)。波導(dǎo)長(zhǎng)度短了，布拉格光柵反射次數(shù)不夠，會(huì)導(dǎo)致濾波消光比不達(dá)標(biāo)；而波導(dǎo)長(zhǎng)了，則損耗也會(huì)增加，對(duì)濾波效果一會(huì)有一定的影響。所以必然存在一個(gè)最優(yōu)的波導(dǎo)長(zhǎng)度，然而這一仿真卻沒能進(jìn)行。通過這次畢設(shè)對(duì)硅基光集成這么多的研究，我感覺硅基光集成還是有非常大的潛力的。推動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素有很多，需求量和價(jià)值產(chǎn)量是其中的重要因素。當(dāng)前受益于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，光集成器件的需求也日益增高，而制作工藝與CMOS工藝兼容，大大降低成本，也增大了光集成器件的盈利空

51、間。希望以后這樣的硅基光集成器件能夠走出實(shí)驗(yàn)室，走向工廠大規(guī)模生產(chǎn)，走進(jìn)我們的生活。致謝時(shí)光飛逝，日月如梭。時(shí)至今日，在歷時(shí)一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成之際，我的大學(xué)四年學(xué)習(xí)生涯也正要畫上句號(hào)。感兮歲月荏苒，流光不再；嘆兮殘陽依舊，桑榆非晚。往昔功過，都靜沉心底，引用中山先生的一句話：革命尚未成功，同志仍需努力。一路走來，有太多的人給予了我無私的關(guān)愛與幫助，感恩的心，感謝有你。首先，非常感謝我的指導(dǎo)老師汪毅教授。汪老師學(xué)識(shí)淵博又平易近人，沒有他的悉心指導(dǎo)，我不可能學(xué)習(xí)這么多的知識(shí)，完成這么多的工作。同時(shí)，非常感謝童文淵、邵捷兩位學(xué)長(zhǎng)在畢設(shè)中對(duì)我的支持和幫助。他們?cè)诋呍O(shè)過程中的軟件仿真和器件制作上，給了我大量的指導(dǎo)和幫助。感謝四年來我的所有授課老師，從各種不同的方面讓我感受到了綜合性大學(xué)的魅力，全面發(fā)展，進(jìn)取成長(zhǎng)。感謝