硅波导声光多臂MZI结构研究

With the development of silicon photonics, optical active components of silicon waveguides are urgently demanding. This project will focus on the waveguide acousto-optical(AO) devices on silicon-on-insulator technology. A concept of silicon waveguide acousto-optic mach-zehnder interferometer(MZI) type devices with multiple arms is developed, in which, a single surface acoustic waves (SAW) beam is performed to modulate multiple interferometer arms simultaneously, which will increase the modulation effectively. The project will emphasize to realize a single SAW beam modulating multiple interferometer arms simultaneously and optical Si waveguide bearing acousto-optical effects. This research will include the following contents, 1） the feasibility of the concept is analyzed by theory, the model of the silicon waveguide AO-MZI devices with multiple arms is built, the performance and application of the concept is also presented; 2） the structure is designed including the research of 1x2 splitter, the silicon optical waveguide design bearing acousto-optical effect, and interdigital transducer (IDT); 3）the samples are fabricated and measured, and the concepts can be extended to light control using other wave-like excitations such as magnetostatic and plasmons.

硅波导集成光电子学是信息技术未来发展的必然趋势，在硅光电子学中，最关键是其功能器件，本项目拟研究基于声光效应的硅波导功能器件，提出了硅光波导声光多干涉臂MZI结构，利用一束声表面波，实现同时调制多干涉臂，使各干涉臂输出干涉加强，达到成倍提高声光调制效率的效果。主要研究内容和创新包括：1）多干涉臂波导声光MZI结构概念分析，利用马赫曾德尔结构理论，推导出多干涉臂波导声光MZI结构理论，理论上分析该结构概念；2）结构设计：1x2光功分器研究，硅光波导上传输声表面波结构研究，产生强而窄的声表面波波束的叉指换能器设计，各设计参数对其性能影响研究；3）样品制作、测试，并将该概念推广到磁光器件和等离子激元器件等方面。

随着信息技术的发展，目前的芯片电子互连技术遇到电子瓶颈，无法满足未来更高带宽的需求。因此，可以利用CMOS技术制作，能和硅集成电路集成的硅光子技术，就成为信息技术发展的必然趋势之一。在硅光子学中，最关键是其功能器件，其中基于声光效应硅光器件具有高消光比，低驱动功率，并且设计灵活等特点,因此硅光声光器件对于硅光子学来说，是一种非常好的选择。.本项目围绕硅光波导声光多干涉臂MZI结构的概念，开展了波导声光互作用结构，多臂波导声光理论、结构，以及制作工艺和测试技术等多方面研究。通过本项目的研究，我们取得了预期的研究效果，无论是在硅波导声光理论方面还是在硅光波导声光结构以及制作工艺方面，提出一些非常好的想法，并且得到了相应验证。具体的研究，首先对声表面波调制单臂和二臂的声光器件进行了研究，结果显示声表面波同时调制两臂，可以大幅提高调制效率，并且详细分析了静态相位差对于波导声光器件性能的影响，获得一些有用结果；同时，通过对光波导结构的优化设计，提出了一种新的利用声表面波控制光波导微谐振腔中的光场机理，该机理利用声表面波调制光波导折射率，实现对微谐振腔的输入和输出光波导耦合效率的调制，从而达到控制微谐振腔中光功率，取得了很好的调制效果；在上述基础上，建立了多臂MZI波导声光器件理论模型，分析了多臂波导声光结构，并研究了并联型、串联型以及复合型多臂MZI波导声光器件多种结构；最后，对相应制作工艺进行了研究，分析比较了目前常用的三种材料体系的优缺点。研究过程中，发表学术论文10篇，其中SCI检索论文9篇，第一标注文章7篇。培养研究生两名。