【摘 要】
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随着社会信息化进程的不断推进,大数据、云服务和移动应用程序等现代通信业务驱动着光通信技术的高速发展,数据中心、高性能计算机的出现也对通信容量提出了更高的要求。硅基光子芯片凭借其结构尺寸小、与传统半导体工艺兼容、高带宽等特点已经逐渐成为集成光学领域的重点研究方向,在数据中心、高性能计算机等应用领域具有重要的研究意义及广阔的发展前景。伴随着硅基光子芯片的高速发展,二维集成的硅基光子芯片的集成度已经达到
【基金项目】
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科技部国家重点研发计划项目（NO.2019YFB2203001）； 吉林省科技发展项目计划（No.20190302010GX）；
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随着社会信息化进程的不断推进,大数据、云服务和移动应用程序等现代通信业务驱动着光通信技术的高速发展,数据中心、高性能计算机的出现也对通信容量提出了更高的要求。硅基光子芯片凭借其结构尺寸小、与传统半导体工艺兼容、高带宽等特点已经逐渐成为集成光学领域的重点研究方向,在数据中心、高性能计算机等应用领域具有重要的研究意义及广阔的发展前景。伴随着硅基光子芯片的高速发展,二维集成的硅基光子芯片的集成度已经达到瓶颈,若要满足更高的通信容量要求则需将平面光路进行三维集成。三维集成光路可以通过在不同的层中设置不同功能的光子器件,在有限的晶圆尺寸下实现高密度、多功能的集成。层间耦合器能够实现三维集成光路中的层间光互连,是三维集成光路中的重要组成部分,层间耦合损耗也是三维集成光路中的重要性能参数。本文所提出的层间耦合器能够实现硅基集成光路与聚合物集成光路之间的光互连,拓展了硅基集成光路的容量与功能,并在聚合物层中引入增益介质,实现对层间耦合损耗的补偿。论文完成的主要工作如下:1.本论文基于Er3+-Yb3+共掺系统,设计并制备了基于Na YF4:Er3+,Yb3+纳米晶的反向泵浦光波导放大器。使用高温热分解法合成了表面带有油酸包覆的Na YF4:Er3+,Yb3+纳米晶,表征了纳米晶的形貌与光谱特性。将纳米晶作为增益介质分散在聚合物光刻胶中,混合均匀后以聚合物光刻胶作为波导芯层材料,使用湿法刻蚀工艺制备了聚合物光波导放大器。搭建反向泵浦水平耦合测试平台,对聚合物光波导放大器的增益性能进行了测试。在980 nm波长的反向泵浦光激发下,器件在1530 nm波长处测得9.4 d B的相对增益。2.研究了用于硅基光子芯片耦合的光栅耦合器,使用FDTD算法对硅基光栅耦合器的周期、占空比等关键参数进行了扫描优化仿真,仿真设计得到了耦合效率为61.51%,3 d B带宽为70.5 nm的均匀光栅耦合器。3.以聚合物光波导放大器和硅基光栅耦合器的研究为基础,本论文提出一种具有损耗补偿功能的硅基/聚合物层间耦合器。该结构能够通过在聚合物层利用反向泵浦光实现对层间耦合损耗的补偿。使用FDTD算法对层间耦合器的光栅周期、金反射镜位置等参数进行扫描优化仿真,得到了耦合效率为58.88%的层间耦合器,当输入信号光功率为1 m W时通过模拟计算得到了7.26 d B的损耗补偿性能,损耗补偿后得到的输出信号功率为3.09 m W。本研究实现了硅基集成光路与聚合物集成光路的三维集成,使用稀土掺杂聚合物波导实现了损耗补偿功能,对硅基/聚合物混合集成光路的研究具有理论意义。所设计的层间耦合器还能够实现硅光芯片的高效率光耦合,为硅光芯片的耦合封装提供了解决方案。
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