硅基微纳光栅耦合器件与其制备技术地研究论文

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1、华中科技大学博士学位论文摘要光栅是一个古老的课题，人们对它的研究已经有几百年的历史。随着集成光路的发展，特别是硅基光子学的发展，光栅又被赋予了新的意义。作为一种平面耦合的方法，光栅耦合器具有耦合效率高、制备封装成本低、无需芯片端面抛光、可以在任何地方实现信号上载下载等优点，成为纳米光波导最有潜力的耦合方法。本文在“国家重点研究发展计划（973计划）前期预研专项”和“湖北省自然科学基金重大研究项目”的支持下，主要研究硅基纳米光波导的高效耦合技术，解决硅基纳米光子器件与外界，特别是光纤之间的耦合难题，并且探索硅基纳米光子器

2、件的制备技术，制备了一系列微纳光子器件。本文通过对硅基微纳光栅耦合器理论和实验的研究，主要取得了以下创新性成果：（1）理论上设计了一种新颖的硅基二元闪耀光栅耦合器。与普通的光栅耦合器相比，该耦合器不但在实现完全垂直耦合的情况下具有高的耦合效率和较大的带宽，而且制备工艺与CMOS传统工艺兼容。该种光栅耦合器长度约为14微米，完全垂直情况下的耦合效率达到70%；（2）提出一种新型的偏振耦合解决方案。利用两层二元闪耀光栅耦合器实现耦合同时偏振分束的功能，具有很高耦合效率和消光比的偏振光分束耦合器，为目前光纤与纳米波导耦合的偏

3、振解决方案提供了一条有效的途径；（3）针对二元闪耀光栅的特点，改进了电子束曝光、感应耦合等离子体（ICP）刻蚀等工艺，成功研制出了高密度非对称纳米光栅，其最小线宽和线条间距均仅为30nm；（4）探索纳米器件加工技术，研究电子束光刻胶在不同曝光显影条件下的特性，克服电子束曝光中的邻近效应，改善光子晶体侧壁粗糙度等，并利用电子束光刻（EBL），感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，原子层淀积（ALD）和牺牲层刻蚀的方法第一次成功开发出了一种新型的环形光子晶体制作工艺。关键词：硅基光子学光栅耦合器二元闪耀光栅环形光子晶体微纳制备I

4、华中科技大学博士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofintegratedopticsandsiliconphotonics,thegratingattractsmoreandmoreattentionsbecausesomenovelcharactersarisewhenthedevicedimensiongoesdowntosubwavelength.Oneoftheapplicationsisusingitasacouplerfornano-waveguides.Compare

5、dwithothernanophotoniccouplingstrategies,gratingcouplingownshighercouplingefficiency,enableswafer-scaletestingoftheintegratedcircuitsandholdsthepromiseoflow-costpackaging,etc.Alltheseadvantagesmakeitthemostpromisingmethodfortheintegratedopticalcircuits.Supported

6、bythe“NationalBasicResearchProgramofChina”and“NaturalScienceFoundationofHubeiProvince”,thedesign,fabricationandapplicationofthegratingcoupleraresystematicallystudiedinthisthesis,andaseriesofnanophotonicdevicesarefabricatedandestimated.Anumberofnovelachievementsw

7、ereobtainedthroughthetheoreticalandexperimentalstudyofthegratingcoupler:(1)Anovelbinaryblazedgratingcouplerwastheoreticallydesignedanddemonstrated.Comparedwithothergratingcoupler,itcanrealizehighcouplingefficiencyandrelativelybroadbandwidthundertheconditionofper

8、fectlyverticalcoupling.Moreover,thefabricationtechnologyiscompatiblewithconventionalCMOStechnologyandsatisfiesthedemandofPlanarLightwaveCircuit(PLC)technology,whichma