光栅耦合器的设计与器件制作研究

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随着集成电路日新月异地发展,传统的基于电子通信传输的电互连技术,由于其与生俱来的局限性(特别是RC电阻电容延迟效应的限制),严重地制约了通信传输的进一步提升,陷入了发展瓶颈。新的互连方式——光互连因此应运而生,为解决这一技术难题提供了新的思路。在各种光互连方式中,基于硅基的片上光互连技术由于硅材料的吸收损耗低、折射率大等特点,且硅基器件尺寸小、工作带宽高、传输速度快、功耗低,成本低,能与现有商业成熟的Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)工艺相兼容,在实现片间和片上通信方案中具有无与伦比的优势,吸引了大量研究者和生产企业的目光,并且在近些年取得迅猛发展。与传统通信技术相对应地,光互连也存在光信号的产生、光信号的传播和光信号的接收等过程。由于光波导与光纤间的模场和模式失配,也就无可避免的存在硅波导与光纤之间光信号的交换和耦合问题。现阶段的耦合方式主要有端面耦合和平面耦合,包括使用正向楔形耦合器、反向楔形耦合器、垂直楔形耦合器、棱镜耦合器和光栅耦合器等。与其他的耦合器件相比,光栅耦合器由于对准容差大、制作工艺简单、无需划片抛光、易于封装,能够进行晶元的实时检测而具有极大的应用价值和前景。  本文的研究目的是分别针对多模光纤和单模光纤,设计并制作相应的硅基光栅耦合器器件,达到耦合效率高、带宽大的目标。  提出公式化的光栅耦合器设计方法,代替以前繁杂、冗余的设计思路和效率低下、目的性不明确的多参数扫描的设计模式,改进并完善了光栅耦合器设计方案。  制作出耦合效率达到-0.85dB以上的单模光栅耦合器,这是目前为止报道过并经证实的光栅耦合器中最高的耦合效率,第一次将耦合损耗降低至1dB以下。借助公式化理论的设计方法,通过设计优化光栅的周期、刻蚀深度和占空比等参数,并使用成熟的工艺条件制作相应的光栅耦合器器件,测试得到最高82.2%(>-0.85dB)的耦合效率。  首次针对多模光纤与硅基光波导的耦合提出易于实现的耦合解决方案,根据此方案,对62.5/125规格的折射率可变型多模光纤设计相应的多模光栅耦合器,通过数值模拟方式进行验证,并对光栅耦合器进行制作,实际测试耦合效率达到72.4%(>-1.4dB),实验结果进一步证明设计思路的可行性。实验结果表明,多模光栅耦合器具有很大的对准容差,为对准和测试都提供了极大的便利,在大规模晶元实时检测的应用中起到了重要的推动作用。
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