30014字硕士毕业论文硅微纳光电元件的探讨

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：30014字

论点：激光器,调谐,器件

论文概述：

通过把MEMS技术和NEMS技术分别与微光学和硅基光子学的相关理论结合,实现了宽带MEMS可调谐激光器、基于NEMS技术和光场梯度力原理的光功率探测器和全光逻辑门。所提出的三个硅基光电子器件

论文正文：

第一章引言

硅基光电器件是未来光通信和光传感领域的重要器件，是未来科学技术发展的重要方向。本论文对基于EVA的微机电系统可调谐激光器、基于EVA的NEMS光功率探测器和逻辑门进行了讨论和研究，主要包括以下四个部分。第一章详细回顾了断基光电器件的研究现状和发展前景。详细介绍了基于EVA的光电子器件和硅基微纳光机电系统技术的关键技术。最后，简要介绍了几种典型的基于EVA的光电器件。第二章详细讨论了宽带微机电系统可调谐激光器的设计、制作、测试和封装。首先，比较了几种不同外腔可调谐激光器的特性，分析了微机电系统外腔可调谐激光器的独特优势。在分析可调谐微机电系统外腔缺点的基础上，提出了一种基于抛物面镜和光纤柱面透镜相结合的三维高效透镜，以提高外腔的称重效率，从而实现宽带、高SMSR和高输出功率的微机电系统可调谐激光器。随后，通过与新加坡微电子研究所的合作，该器件成功制造。基于传统的光学MEM封装技术，对微机电系统可调谐激光器的封装进行了初步探讨。最后，对试验结果进行了讨论和分析。第三章介绍了基于光场梯度力的NEMS光功率设计。首先，简要介绍了光场梯度力的理论。然后将光场梯度力引入NEMS场，提出了一种基于横向光场梯度力的新型光功率探测器。利用先进的EVA纳米光子学和NEMS加工技术实现了器件的制作，并对器件的加工工艺进行了详细的分析和讨论。通过测试发现，设计的新型NEMS功率检测芯片能够实现0-20mW范围内的1550 nm工作波长功率检测，并对相关测试结果进行了讨论。第四章提出并设计了一种基于NEMS技术的全光逻辑门。逻辑门的设计基于纯EVA材料，不需要其他m-v系列芯片。利用EVA波导和底部硅靴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，实现输出光波的机械调制。输出功率为0.5毫瓦的全光逻辑门已成功测试。第五章是本文工作的总结和展望，总结了三种基于EVA的光电器件的特点和存在的问题以及可能的改进。外腔激光器的调谐主要是利用外腔作为滤波器来实现的。这种滤波器可以有多种用途，如平面滤波器、闪耀光栅滤波器、环形滤波器等。无论使用哪种滤波器，激光器的外腔都可以等同于具有波长选择性的反射器。如图2-2 (a)所示，F3是外腔滤波器的等效反射器，f1和F2是激光芯片的两个端面。当发射足够强时，激光将在由三个反射镜组成的复合腔中振荡，以实现激光的放大。然而，激光发射的波长由两个限制条件共同决定:由F3和F2形成的激光外腔和由F1和F2形成的激光内腔。内腔的两个部分反射镜F1和F2所支持的波长是一系列具有近似相等间隔的光谱，并且FP激励器的谐振公式2nL = ia被间隔开以获得ax = x2/(2nl)。当滤光器的反射光谱与激光器内腔支持的波长一致时，相应的波长是激光，而不一致的波长被抑制，并且不能获得足够的增益。当外腔的波长移动时，重叠的波长也移动，从而可以实现波长选择，如图2-2 (b)所示。图2-2 (c)是在有或没有外腔的情况下测量的激光芯片的发射光谱。可以看出，当没有外腔时，激光芯片以多种纵向模式振荡。当存在提供具有波长选择性的反馈信号的外腔时，侧模抑制比显著高于没有外腔的情况，实现单纵模振荡和单波长输出。

第三章是基于NEMS技术的纳米光功率探测器的研究

3.1导言18

3.2光场梯度力19的产生原理和计算方法

3.3光功率探测器的结构设计……25

3.设备26的加工技术和工艺开发

第四章基于NEMS技术的硅基全光逻辑门的研究……17

4.1导言17

4.2机械光场的调制效应

4.3基于光场梯度力38的全光逻辑门设计

4.3.1全光逻辑门40的设计

4.3.2光场梯度力40的分析

4.4设备处理和包装43

4.5测试和结果分析52

结论

本文的主要工作和成果可归纳为以下两部分:

第一部分:硅基光电子学的发展及趋势研究

本部分深入研究了硅基光电器件的关键技术和发展趋势以及世界主要研究机构的研究现状，总结了硅基光电器件的主要发展方向和形式。结合目前的热点，如微机电系统可调谐激光器，进行了深入的讨论，总结和比较了几十种不同的结构方案。根据目前世界硅基光电子的研究现状，总结并对硅基光电子的未来发展提出了一些看法。

第二部分:新型微机电系统可调激光器的设计、制造、封装和测试

在这一部分中，通过分析和总结微机电系统可调谐激光器存在的问题，首次提出抛物面镜和光纤柱面透镜相结合，用于提高利特罗结构可调谐外腔激光器的耦合效率。无源耦合在平面光学微机电系统结构中成功实现了高耦合效率，简化了微机电系统可调谐激光器的组装过程和成本。在新加坡微电子研究所的技术条件帮助下，它已经成功地发展起来了？？一整套适用于光微机电系统可调谐激光器的工艺流程。该装置的原型可以利用洁净的室内生产线制作，并进行相应的包装和测试。测试结果表明，输出功率可达3 mW以上，耦合效率可达69%，远高于原设计。此外，该器件成本极低，有可能在光通信网络中取代目前的DBR可调谐激光器，具有很大的应用价值。

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