硅基光子晶體帶隙特性與波導(dǎo)研究.pdf

1、隨著硅基微電子元器件集成度的不斷提高，器件工藝線寬正趨于理論極限，用電子作為信息載體的微電子技術(shù)即將面臨難以逾越的瓶頸。因此，用光子作為信息載體的集成光電子學(xué)成為了亟須發(fā)展的方向。其中，繼承了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路成熟的硅基加工技術(shù)，并兼具光子晶體完美控制光能力的硅基光子晶體器件自然的成為了研究的熱點與前沿。硅基光波導(dǎo)是傳遞光子信息的通道，是硅基集成光電回路的核心基礎(chǔ)器件。以硅基光子晶體波導(dǎo)為核心可以設(shè)計出各種功能各異、種類豐富的硅基光電子

2、器件，如硅基微腔、波導(dǎo)、光延遲器、分束器、耦合器、調(diào)制器、探測器等，從而極大的推動硅基光電集成領(lǐng)域的發(fā)展。因此，本論文以硅基光子晶體為核心，在“國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃）前期預(yù)研專項”（2006CB708310），“國家青年科學(xué)基金”（60706013），“湖北省自然科學(xué)基金重大項目”（2006ABD002），“華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新究基金”（M2009026），“武漢光電國家實驗室（籌）創(chuàng)新基金”（P080003），和“華中

3、科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金”（HF-08-05-2011-230）等的支持下，重點進(jìn)行了硅基光子晶體的光子帶隙研究和新型光子晶體波導(dǎo)器件的機(jī)理與器件原型研究，取得了如下成果：
　　 (1)采用全三維平面波法，研究了一種新型環(huán)形孔光子晶體絕緣體二氧化硅上硅（SOI）非對稱平板的光子帶隙，比較了新型環(huán)形孔光子晶體平板和普通圓形孔光子晶體的帶隙。通過研究發(fā)現(xiàn)，在很大范圍的空氣體積填充比內(nèi)，同樣空氣體積填充比的優(yōu)化的環(huán)形光子晶體平板和普通

4、圓形孔光子晶體平板相比，具有更大的光子帶隙。例如，對于空氣填充比為15％的時候，與普通圓形孔光子晶體平板相比，在環(huán)形光子晶體平板中觀察到了將近兩倍的光子帶隙增強(qiáng)。
　　 (2)討論了硅基光子晶體波導(dǎo)中帶邊慢光的限制因素，研究了零色散型光子晶體寬帶慢光波導(dǎo)的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型對稱邊界環(huán)寬帶低色散光子晶體慢光波導(dǎo)。通過調(diào)節(jié)這種邊界環(huán)波導(dǎo)環(huán)中的內(nèi)徑大小，可以使得光子晶體導(dǎo)模色散曲線中出現(xiàn)一個線性段，從而實現(xiàn)低色散寬帶慢

5、光。時域有限差分仿真表明，在一種優(yōu)化的這種慢光波導(dǎo)中可以實現(xiàn)中心波長在1550納米，帶寬為2.3納米的群折射率為74.4的慢光傳輸。
　　 (3)研究討論了色散補(bǔ)償型光子晶體寬帶慢光波導(dǎo)的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型啁啾溝道光子晶體耦合慢光波導(dǎo)。通過調(diào)節(jié)這種波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得一種理想的“座椅狀”導(dǎo)模色散曲線。然后再對這種波導(dǎo)的寬度進(jìn)行啁啾，可以實現(xiàn)寬帶低色散慢光。在時域有限差分仿真實驗中，成功地獲得了中心波長在155

6、0納米，帶寬為20納米的寬帶慢光傳輸。并且，這種波導(dǎo)能夠在低折射率非線性材料溝道結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)慢光與光控制，可望用于高速光信號處理以及加強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用等領(lǐng)域里面。
　　 (4)探討了光子晶體的自準(zhǔn)直原理，利用環(huán)形光子晶體比普通光子晶體多一個自由度的優(yōu)勢，設(shè)計了一種新型寬帶偏振無關(guān)自準(zhǔn)直波導(dǎo)。這種偏振無關(guān)自準(zhǔn)直波導(dǎo)不但能同時工作于橫電場模式和橫磁場模式狀態(tài)下，并且在中心波長為1550納米時具有約102.9納米寬的偏振無關(guān)自準(zhǔn)直