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畢業論文
錐形波導設計對氮化矽微環形共振腔耦合效應研究 姓名 : 李天翔

指導教授
王培勳


論文摘要
矽光子技術由於其高頻寬、低損耗、可結合互補式金屬氧化物半導體製程,使其 有廣泛的應用,包括濾波器、檢測器、調變器、非線性光學等,在這些應用上,直 波導與共振腔的耦合扮演了重要的角色,在臨界耦合模式可以為線性元件提供好 的消光比以及靈敏度,在過耦合模式可為非線性元件提供更好的轉換效率。過往使 耦合增強的方法有縮短間隙距離,或是增加耦合區域的範圍,但這些方法需要更好 的製程控制以及更多的波導設計,因此在波導設計的靈活性受到限制。本論文透過 在直波導耦合區域的錐形波導設計,使氮化矽微環形共振腔的耦合增強,並且探討 不同幾何結構的錐形波導對於耦合效應的影響。 首先以時域有限差分法對於不同結構的錐形波導進行模擬,觀察共振腔內的能 量,並計算出不同錐形波導的耦合強度變化。我們利用單側漸進式錐形波導的設計, 在與無錐形波導設計相比,其耦合強度最高可提升 347 倍。除此之外,利用錐形波 導,可在共振腔內激發不同腔體模態,藉以達到模態轉換之能力。 再來介紹元件的製程,本論文以低壓化學氣相沉積所沉積之氮化矽作為波導,並 以 i-line 步進機和電子束直寫系統進行微影製程,在優化其製程後,其品質因子皆 可達到105。並且因為錐形波導的設計,使得間隙為 0.4 μm的微環形共振腔,符合 在步進機上可達到之最小解析度,因此可以在 i-line 步進機上實現大量生產,而不 必依靠電子束直寫系統繼續縮短間隙寬度。在量測方面,由元件在 1550 nm 光通 訊穿透光譜進行分析,可得到在錐形波導與無錐形波導的設計相比,其耦合強度在 i-line 步進機與電子束直寫系統上,分別可增強 7 倍與 15 倍。 本論文提供一個靈活的設計方式,利用單側漸進式錐形波導可有效提升直波導 至共振腔的耦合,在不用縮減間隙寬度的情況,可望達到臨界甚至到過耦合模式。 並且透過 i-line 步進機,能實現大量生產的可能性。



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