【摘 要】
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硅基微纳热调光子器件是一种很有前景的可调控光子器件,因其低损耗、低成本和高紧凑度等优点,在光纤通信系统中可作为波长选择、可重构光分插复用和交叉连接等的关键器件。微纳热调光子器件是利用热光效应来实现光信号的操作,相关热特性（稳态温度分布、热稳定性和瞬态热响应）对器件的光学性能起决定性的作用。为降低微纳热调光子器件的功耗,研究人员提出采用悬空式波导结构,取得了一定的效果。但是,悬空式波导热调光子器件还
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.61675073）; 华中科技大学“研究生短期研修项目”; 中央高校基本科研专项资金（No.2016YXZD004）; 武汉光电国际联合实验室
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硅基微纳热调光子器件是一种很有前景的可调控光子器件,因其低损耗、低成本和高紧凑度等优点,在光纤通信系统中可作为波长选择、可重构光分插复用和交叉连接等的关键器件。微纳热调光子器件是利用热光效应来实现光信号的操作,相关热特性（稳态温度分布、热稳定性和瞬态热响应）对器件的光学性能起决定性的作用。为降低微纳热调光子器件的功耗,研究人员提出采用悬空式波导结构,取得了一定的效果。但是,悬空式波导热调光子器件还存在一些问题,如波导温度分布不均匀、热稳定性较低和瞬态热响应较慢等,且相关研究还缺少对器件热特性的系统分析和实验验证。针对以上问题,本文采用数值模拟、解析公式和热反射测试等方法综合研究了基于侧向支撑悬空硅波导（Laterally-supported Suspended Silicon Waveguide,LSSW）的热调光子器件的热特性,进而优化了波导的设计,并制作了高稳定性、低功耗、较高瞬态响应速度的硅基微纳热调光子器件。研究结果为此类器件的设计和应用提供了有价值的参考。具体内容如下:（1）建立了分析热调光子器件热特性的热-电-力耦合稳态模型和热-电耦合瞬态模型,并用有限元法求解以上模型得到了热调LSSW的稳态温度分布、应力、形变和瞬态热响应。基于平均温度法（集总热容法）,推导了波导瞬态热响应的解析公式。通过数值模型和解析公式,提出了优化热特性的方法和原则。（2）实际制作了有上包层热调LSSW,并用高精度的热反射法测试了其热特性。测试结果表明,这种波导具有较高的温度分布均匀性和热稳定性,工作温度可超过135 oC。不同长度波导在不同加热功率下的响应时间均约为50μs,且上升沿响应时间可减小至1.3μs。（3）基于有上包层热调LSSW,设计和制作了硅基热调光栅带阻滤波器和马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferemeter,MZI）光开关。两种器件均具有完整、稳定的LSSW结构,其瞬态响应时间小于100μs;光栅带阻滤波器的调谐效率达约0.29 nm/m W,MZI光开关的功耗可降至1.1 m W。测试结果也验证了解析公式和数值模型的准确性。通过这两种方法,进一步探究了梁柱结构和上包层厚度、材料等对热调LSSW热特性的影响,优化了器件的性能。（4）提出了一种无上包层热调LSSW,并在此基础上设计和制作了无上包层的热调多模干涉型（Multimode Interferemeter,MMI）MZI光开关、基于布拉格光栅和迈克尔逊干涉（Bragg-Grating Michelson Interferemeter,BG-MI）的梳状滤波器。MMI-MZI光开关的功耗和平均瞬态响应时间可降至1.07 m W和7.8μs,且消光比达30 d B;BG-MI梳状滤波器可用于C波段、波长间隔100 GHz的密集波分复用系统,且调谐效率达0.54 nm/m W。
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