本科生毕业设计[论文]
高消光比硅基带通滤波器研究
院 系__光学与电子信息学院___ 专业班级____光电1207___________ 姓 名____熊 奇_____________ 学 号____U201214277_________ 指导教师____汪 毅______________
2016年 月 日
华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）
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摘 要
目前，在光通信和量子信息等领域，高消光比的带通滤波器有着十分重要的应用价值。然而，不管是传统的带通滤波器，还是光纤光栅结构的滤波器，都有他们的缺点和局限性。相比之下，硅基波导对于光场的束缚能力可提升两个数量级，高精度的硅加工技术可实现大规模、低成本制备硅基波导。因此，采用硅基波导实现高消光比带通滤波器，具有尺寸小、功耗低且易于集成的优势。
布拉格光栅作为基础光学器件，在光纤通信领域已经取得了巨大的成功。同样这些成就可以被借鉴到集成光学中来。在SOI材料上制作波导和光栅的工艺已经非常成熟。利用布拉格光栅是反射型光栅的特性，我们可以以此来设计和制作硅基带通滤波器。
在本论文中，我们建立了基于硅基布拉格光栅波导的带通滤波器的理论模型，模拟分析了器件的传输特性，优化设计器件的结构。最后，我们依托实验室的微纳工艺制备平台，采用先进的电子束曝光和高精度刻蚀工艺，制备了器件原型，并测试了器件的工作特性。
关键词：硅基波导；布拉格光栅；带通滤波器；高消光比
Ⅰ
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Abstract
Nowadays, band-pass filters with high extinction ratio play a very important role in optical communications and quantum information. However, neither traditional band-pass filters nor filters based on fiber gratings have their own limitations. Compared to those structures, silicon-based waveguides enable tight field confinement and reduction of device’ footprint. In addition, high-precision fabrication technology for silicon optoelectronic devices makes it possible to fabricate silicon waveguides extensively and low-costly. These advantages allow us to achieve band-pass filters with high extinction ratio, small size, low power dissipation and easy integration.
As a fundamental device in optical system, Bragg grating has been achieved great success in optical fiber communication. With the advanced fabrication technology of silicon waveguides and gratings on the silicon-on-insulator (SOI) platform, those achievements can also be used in silicon photonics. Relying on the reflection characteristics of Bragg gratings, we can design band-pass filters on SOI chips.
In this thesis, we demonstrated a theory of band-pass filters based on Bragg grating waveguides (BGWs), simulated the transmission characteristics of the device, and then optimized our design. Finally, we fabricate the device and test it.
Key Words：Bragg grating waveguide; band-pass filter; high extinction ratio
Ⅱ
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目 录
摘要 ..................................................................... Ⅰ Abstract .................................................................. Ⅱ 1 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 引言 ...................................................................................................................................... 1 1.2 硅基光子学的发展 .............................................................................................................. 2 1.3 波导光栅简介 ...................................................................................................................... 3 1.4 光栅滤波器 .......................................................................................................................... 3 2 布拉格光栅波导理论 ........................................................................................................... 5 2.1 引言 ...................................................................................................................................... 5 2.2 布拉格光栅波导 .................................................................................................................. 7 3 布拉格光栅波导的设计与分析 ........................................................................................... 9 3.1 FDTD简介 ............................................................................................................................. 9 3.2 波导仿真 .............................................................................................................................. 9 4 制作与测试 ......................................................................................................................... 17 4.1 制作工艺 ............................................................................................................................ 17 4.2 产品制作 ............................................................................................................................ 22 4.3 测试 .................................................................................................................................... 23 5 结论 ..................................................................................................................................... 24 致谢 ............................................................................................................................................ 26 参考文献 .................................................................................................................................... 27 附录 .......................................................................................................................................... 29