第1章绪论
硅基光电子器件是未来光通信和光领域传感的重要器件,是未来科技发展的一个重要方向。本论文对娃基的MEMS可调谐激光器和娃基的NEMS光功率探测器、逻辑门进行了讨论和研究,主要包括以下四个部分。第一章,对碎基光电子器件的研究现状和发展前景,做了详细的调研综述。并对娃基光电器件的关键技术和硅基微纳光机电系统技术做了详细的介绍。最后对一些典型的娃基光电子器件做了简单介绍。第二章,有关宽带MEMS可调谐激光器的设计、加工、测试和封装,并对四个方面都做了详细的研究。首先,对比了目前常见的几种不同的外腔可调谐激光器的特点,并这种分析了MEMS外腔可调谐激光器的独有的优点。在分析了目前MEMS外腔可调谐存在的缺点之后,提出了基于抛物面镜和光纤柱形透镜组合的三维高效透镜,用来提高外腔的稱合效率,从而实现了宽带、高SMSR、大输出功率的MEMS可调谐激光器。随后,通过与新加坡微电子所的合作,成功加工出器件,并在传统光学MEM封装技术的基础上,初步探讨了MEMS可调谐激光器的封装。最后,对测试结果进行了讨论分析。第三章,基于光场梯度力的NEMS光功率的设计。首先,对光场梯度力的理论做了简单介绍。然后把光场梯度力引入NEMS领域,提出了新型的基于横向光场梯度力的光功率探测器件。并利用先进的娃基纳米光子学和NEMS加工工艺,实现了器件的制作,对器件加工工艺做了详细的分析探讨。通过测试发现所设计的新型NEMS功率探测芯片,可以实现0-20mW范围的1550 nm工作波长功率探测,并讨论了相关的测试结果。第四章,提出并设计了基于NEMS技术的全光逻辑门。逻辑门的设计基于纯娃基材料,不需要借助其他m-v族芯片。利用娃基波导与底部二氧化鞋之间的纵向光场梯度力,控制悬浮的两个微环谐振腔的位置,从而实现了对输出光波的机械调制。并成功测试了0.5 mW输出功率下工作的全光逻辑门。第五章,有关本论文工作的总结和展望,总结了所提出的三种娃基光电子器件的特点和存在的问题,并可能的改进点。外腔激光器的调谐,主要通过外腔作为一个滤波器来实现。这个滤波器可以通过多种方式,常见的如FP滤波器、闪耀光栅滤波器、环形滤波器等。不管哪一种滤波器都可以把激光器的外腔等效为一个具有波长选择性的反射镜,如图2-2 (a)所示,F3是外腔滤波器所等效的反射镜,Fi和F2是激光器芯片的两个端面。当发射足够强的时候,激光器就会在三个镜面组成的复合腔内振荡,实现激光的放大。而激光出射的波长有F3与F2构成的激光器外腔和Fi与F2构成的激光器内腔两个限制条件共同决定。内腔的两个部分反射镜面Fi与F2所支持的波长是一系列间隔近似相等的谱,间隔有FP激器谐振公式2nL=ia得到AX^=X2/(2nL)。当滤波器的反射谱与激光器内腔支持的波长相重合时,所对应的波长得到激射,而不重合的波长则会被抑制掉,无法获得足够的增益。当外腔波长移动的时候,所重合的波长也跟着移动,由此可以实现波长的选择,如图2-2 (b)所示。图2-2 (c)是在有无外腔的条件下测得到的激光器芯片的出射谱,可以看出,没有外腔的时候,激光器芯片成多纵模振荡,当有外腔提供具有波长选择性的反馈信号的时候,边模抑制比明显高于没有外腔的情况,实现单纵模振荡,单波长输出。
第3章理基于NEMS技术的纳米光功率探测器的研究……………………..18
3.1引言………………18
3.2光场梯度力的产生原理和计算方法………………19
3.3 NEMS光功率探测器的结构设计………………25
3. 器件的加工工艺和流程开发………………26
第4 章基于NEMS技术的硅基全光逻辑门的研究……………17
4.1 引言…………………………………………………17
4.2机械光场调制效应…………………………………………………………32
4.3基于光场梯度力的全光逻辑门的设计……………………………………………38
4.3.1全光逻辑门设计………………………………………40
4.3.2光场梯度力分析…………40
4.4器件加工与封装…………………………………43
4.5测试与结果分析………………………………………………52
结论
本论文的主要工作和成果可以归纳为如下二个部分:
第一部分:硅基光电子发展情况和发展趋势的调研
在本部分,深刻调研了基于硅基光电子器件的关键技术、发展趋势和全球的主要研究机构的研究现状,并总结了对硅基光电子器件发展的主要方向和形式,结合目前的热点,如MEMS可调谐激光器,进入了深入的探讨,对数十种不同的结构方案进行了总结和比较。通过对目前全球硅基光电子的研究现状,总结并提出了对未来硅基光电子发展的看法。
第二部分:新型MEMS可调谐激光器的设计、加工、封装和测试
在本部分,通过分析总结目前MEMS可调谐激光器存在的问题,首次提出了利用抛物面镜和光纤柱形透镜组合的方式,用来在Littrow结构的可调谐外腔激光器中用来提高耦合效率,成功在平面光学MEMS结构中利用被动耦合方式实现高耦合效率,大人简化了MEMS可调谐激光器旳组装工序和成本。借助新加坡微电子所的工艺条件,成功开发出了? ?整套适合光学MEMS可调谐激光器的工艺流程。并利用洁净室内工艺线加工出了可丁作的器件原型,并进行了相应的封装和测试。测试结果表明,输出功率可以达到3 mW以上,耦合效率最大达到69%,远大于之前的设计。此外,该器件具有极低的成本,在光通信网络中有可能替代目前的DBR可调谐激光器,具有较大的应用价值。
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