基于SOI的高Q微环谐振腔的研究

利用时域有限差分法,对基于绝缘体上硅(SOD的微环谐振腔的微环波导宽度对传输性能、Q值的影响进行了理论分析与仿真.研究结果表明,单模条件下,波导越宽,Q值越大.仿真优化结果表明微环半径为10μm、微环波导宽度为600 nm时,1.55 μm附近的谐振峰的消光比为18.2 dB,计算出Q值约为2.2×105.进一步研究了微环与直波导间距、平板高度对Q值的影响.耦合间距增大时,由于耦合效率降低,Q值则逐渐提高;随着平板区厚度的减小,辐射损耗会越小,因此Q值增大.研究结果为微环谐振腔的进一步优化和设计提供了参考.     

聚合物双环谐振滤波器的研究

设计了一种基于多模干涉(MMI)耦合输入/输出结构的跑道型双微环串联谐振滤波器,并采用紫外光敏聚合物材料SU-8作波导芯层,聚合物CYTOP为下包层,在硅基底上完成了器件的制备.器件的波导端面尺寸为2 μm×1 μm,与设计值相符,扫描电镜显示所制备的器件波导侧壁陡直度较高.直波导传输损耗的测试结果表明,在1550 nm波长,直波导传输损耗约为2.0 dB/cm.测试并获得了多模干涉结构和器件的通光及输出光谱图\.测试结果表明,MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50∶50的功分比,微环谐振滤波器的通光性能良好,实现了滤波功能,器件的自由光谱区FSR实际值约为0.94 nm,与设计参数值很接近.研究结果表明采用聚合物SU-8制备小波导尺寸微环谐振器的器件简便可行.     

氮化硅微腔中的光学频率梳(特邀)

具有高品质因子（Q 值）的光学谐振腔能够长时间将光束缚在较小的模式体积内,极大地增强了光与物质的相互作用,成为集成光学器件中具有重大潜力的重要组成部分。聚焦于目前广泛应用于集成非线性光学领域的氮化硅材料平台,为了解决大尺寸氮化硅微环腔由拼接误差、表面粗糙等因素导致的散射损耗较大的问题,进行了一系列的工艺改进以提高大尺寸氮化硅微环腔的品质因子。结果表明:通过薄膜再沉积工艺可以有效降低氮化硅波导的散射损耗,半径为560 μm的大尺寸氮化硅微环腔的本征Q值得到了平均26% 的提升。得益于提高的微腔Q 值,在氮化硅微环腔中实现了重复频率40 GHz 的光学频率梳。     

基于光学微环的化学传感器

以SiN为材料,采用与CMOS工艺相兼容的技术,制备了波导宽度为1μm,半径为400μm的SiN光学微环。经测量,其品质因数(Q值)高达20 000,自由光谱范围(FSR)为0.5 nm。提出了采用光学微环传感器、单波长光源和光功率计对待测物进行测量的方案。实验证明,该方案与传统的采用光谱仪测量谐振峰值漂移的方法相比,可以取得更高的系统探测灵敏度。最后,利用微环传感器对葡萄糖溶液浓度进行测量,灵敏度高达10-4折射率单元(RIU),证明了该传感器可以应用于溶液检测领域。     

可调谐氮化硅波导微环谐振腔滤波器研究

设计并制备了一种基于热光效应的集成可调谐氮化 硅(Si₃N₄)波导微环谐振腔滤波器,通过采用马赫-曾德干涉仪(MZI)构成的可调谐 耦合器控制耦合区耦合比,以实现滤波器消光比的调谐。设计并优化了微环谐振 腔的波导截面尺寸、弯曲半径和耦合区波导间隔等参数,并通过光刻、反应离子刻蚀(RIE )等工艺制备 了两种不同弯曲半径的Si₃N₄波导微环谐振腔。实验结果表明,本文器件在波长1550nm附近处的自由光谱 范围(FSR)为68pm,3dB带宽约为16pm,品质因子Q达到了9.68×10 4,消光比可调范围约为17dB。     

超薄Si3N4/SiO2(N/O) stack栅介质及器件

成功制备了EOT(equivalent oxide thickness)为2.1nm的Si3N4/SiO2(N/O) stack栅介质,并对其性质进行了研究.结果表明,同样EOT的Si3N4/SiO2 stack栅介质和纯SiO2栅介质比较,前者在栅隧穿漏电流、抗SILC性能、栅介质寿命等方面都远优于后者.在此基础上,采用Si3N4/SiO2 stack栅介质制备出性能优良的栅长为0.12μm的CMOS器件,器件很好地抑制了短沟道效应.在Vds=Vgs=±1.5V下,nMOSFET和pMOSFET对应的饱和电流Ion分别为584.3μA/μm和-281.3μA/μm,对应Ioff分别是8.3nA/μm和-1.3nA/μm.     

半径5μm的定向输出圆盘形微腔激光器

基于三维时域有限差分法,对半径为5μm的径向直连波导微腔激光器的模式及定向输出特性进行研究,得到了波长在1550nm附近的高品质因子(Q)横电模的Q值与光场分布特性。基于半导体平面加工工艺制备了AlGaInAs/InP圆盘形微腔激光器,微腔半径为5μm,波导宽度为1μm。该激光器在298K下实现了连续单模输出,阈值电流为4mA。在注入电流为9mA时,激光器的边模抑制比可达33.4dB。基于速率方程拟合了激光器模式强度随注入电流的变化,得到激光器的自发辐射因子约为5.5×10~(-3)。     

自聚焦平板波导透镜及其应用

介绍了一种新颖的自聚焦平板波导透镜(SPWL),利用几何光学方法分析了它的光学特性,得出其传输矩阵,并进行了特殊的结构设计.介绍了实际制备这种透镜的工艺过程,并给出了光纤输出光束经1/4节距的自聚焦平板波导透镜之后输出的近场和远场光斑图,测试结果表明自聚焦平板波导透镜输出近场光斑在x-z平面内束宽为1 153.3μm,与根据传输矩阵计算得出的束宽1 153.2 μm相符;最后介绍了自聚焦平板波导透镜的三种应用实例:LD阵列和光纤的耦合、SOA与单模光纤的耦合、光功率分束器和直波导阵列波导光栅.     

基于端面耦合的InP基激光器/硅光波导混合集成技术研究

针对硅光子集成回路缺少实用化光源的问题,提出了一种1.55μm波段InP基FP激光器芯片、InP基PIN光电探测器芯片与硅光波导芯片集成模块的设计与制备方法。使用CMOS工艺兼容的硅光无源器件制备工艺,设计并制备了倒拉锥型端面耦合器,与锥形透镜光纤耦合效率为36.7%。采用微组装对准技术将激光器芯片与硅波导芯片耦合、UV固化胶固化后耦合效率为35.8%,1 dB耦合对准容差横向为1.2μm,纵向为0.95μm。     

耦合系数对串联双微环谐振器滤波特性的影响

多个光波导微环谐振器的组合可扩展自由光谱范围和改善滤波特性。推导了串联双微环谐振器中两个微环与直波导的耦合系数不限定为相同时的理想耦合条件,针对无损耗情况时光从与小环耦合的直波导入射的情形,计算了理想耦合条件下主谐振峰带宽、形状因子以及伪模的峰值透射率随耦合系数变化的情况,显示了耦合系数对滤波特性影响的规律。计算分析表明,当两个微环与直波导的耦合系数不相等时,可以取得较为均衡的良好滤波特性,同时有更多的设计灵活性。     

Microring resonator for glucose sensing applications

Silicon nitride microring resonators were demonstrated as chemical sensors.The microring devices,with diameter of 100 μm, were fabricated using complementary metal oxide semiconductor (CMOS)-compatible technology, and a high Q factor of 15000 was realized with free spectrum range (FSR) of 2 nm.The structures were further packaged to perform as chemical sensors, and their functionality was proved using deionized water (DI water) and ethanol as detecting mediums.Lastly, the packaged chips were used to detect glucose solutions with various concentrations, and a detection capability of refractive index change of 10-3 refractive index unit (RIU) was obtained.     

InGaAsP-InP nanoscale waveguide-coupled microring lasers with submilliampere threshold current using Cl/sub 2/--N/sub 2/-based high-density plasma etching

We demonstrate InGaAsP-InP nanoscale waveguide-coupled microring lasers fabricated with inductively coupled plasma (ICP) using Cl/sub 2/--N/sub 2/-based gas mixtures. To fabricate optical waveguides, the requirement of anisotropic profiles and sidewall smoothness is stringent. In particular, for strongly lateral confined nanoscale waveguides used for microring resonators, the degree of anisotropy and sidewall smoothness is critical in determining the device performance. For optoelectronic devices such as microcylinder and microring lasers, the requirement of low active-layer damage further adds to the stringency. We show that the excellent etching property of high-density plasma using Cl/sub 2/--N/sub 2/-based gas mixtures satisfies the requirements. The good etching results are demonstrated by using the etching method to realize room-temperature operations of the InGaAsP-InP waveguide-coupled microring lasers. For the waveguide-coupled microring lasers with a diameter of 10 /spl mu/m, we obtained submilliampere threshold current.     

High $Q$ -Factor Microrings Using Slightly Etched Rib Waveguides

The paper reports the design, fabrication and characterization of silicon-on-insulator (SOI) microring resonators using shallow etched rib waveguides. The variation of the $Q$-factor of microring resonators as a function of the ring diameter and coupling gap between the input waveguide and the ring is studied. Such structures are fabricated using e-beam lithography and reactive ion etching steps. Propagation loss of shallow etching rib waveguide has been evaluated to 0.8 dB/cm for wavelengths around 1550 nm. With a ring diameter of 100 $mu{rm m}$ and a coupling gap of 450 nm, the measured $Q$ -factor is 35300. These results are matched by 3-D numerical optical modeling.      

基于微环谐振器的光学数模转换器

提出并实现了一种基于微环谐振器的2位光学数模转换器,该器件由2个微环谐振器和2个1×2光学分束器构成,该结构可以将一个2位电学数字信号转换成一个光学模拟信号。在SOI晶圆上制备出该光学数模转换器,采用热光效应调制微环谐振器。在输出端口得到光学模拟信号。通过静态光谱测试,确定微环谐振器的驱动电压和工作波长,最终展示了50ksamples/s的动态数模转换结果。     

Room-temperature lasing in microring cavities with an InAs/InGaAs quantum-dot active region

Microring cavities (diameter D = 2.7–7 μm) with an active region based on InAs/InGaAs quantum dots are fabricated and their characteristics are studied by the microphotoluminescence method and near-field optical microscopy. A value of 22 000 is obtained for the Q factor of a microring cavity with the diameter D = 6 μm. Lasing up to room temperature is obtained in an optically pumped ring microlaser with a diameter of D = 2.7 μm.     

硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究

仿真和实验研究了含槽型(slot)光波导的反馈波导型微环谐振器的特性,将槽型光波导集成到Si基微环谐振器中,丰富Si基光波导的功能,为新型光电子器件的实现提供途径。通过锥形波导结构实现从传统波导到槽型波导的模式转换,减小传输损耗,采用时域有限差分法(FDTD)研究了光功率的分布和模式转换过程。结果显示,光功率逐渐转移到锥形结构两侧的槽型波导中并最终形成槽型波导中的传输模式,通过优化锥形结构能实现较高的模式转换效率,可以达到90%以上。采用电子束刻写技术和等离子刻蚀技术制备了反馈波导型槽型微环谐振器。实验显示,锥形波导能够实现模式的转换,光传输过程良好。通过在槽型波导中填充电光聚合物来改变槽型光波导的折射率,测量结果显示,传输谱谐振峰发生了明显移动,移动幅度达到5.6nm,器件具备很好的可调谐性。     

Vertically coupled glass microring resonator channel droppingfilters

Air-clad glass microring resonators vertically coupled to buried channel waveguides are experimentally investigated. Ring radii of 10 μm, and channel drop bandwidths of 5 nm are reported. Vertical coupling eliminates the need for the etching of fine features, and relaxes the alignment of the resonator with respect to the input and output bus waveguides