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摘 要

早在1880年，人们就已经提出了光波导。之后，人们对光波导的研究如火如荼地展开了。集成光学领域中，波导光栅占据着极其重要的地位，也是人们研究最多的器件之一。波长选择器、滤波器、激光器等光器件经常将布拉格光栅作为反射结构。波导光栅改善了这些器件的尺寸、能耗、调制深度等方面的问题。现如今，波导光栅广泛地应用于光学滤波器、激光器和传感器等领域，此方面的研究也取得了长足的进步，在不同的集成平台上也得到了很多的研究，如磷化铟、聚合物、平面光波导、SOI以及本课题涉及到的氮化硅。因此，波导布拉格光栅有着很高的研究价值。目前，一系列基于氮化硅波导布拉格光栅滤波器正在被研究、构造和分析。

本课题采用二氧化硅作为波导下包层，氮化硅材料作为波导芯层，聚合物材料作为波导上包层，设计、制备和测试氮化硅/聚合物混合材料体系的集成波导光栅滤波器。通过对滤波特性的研究，我们优化了集成波导光栅的结构参数（如光栅周期、光栅调制强度、光栅长度等），并利用微加工工艺流程制备氮化硅集成波导光栅滤波器，并进行测试。测试表明了氮化硅波导光栅的高宽比值大，折射率对比高的优势，这对于以后波导光栅的制备具有极其重要的参考价值和研究意义。

关键词： 集成波导光栅，氮化硅

Integrated silicon nitride waveguide grating filter

Abstract

In 1880, the concept of optical waveguide was proposed. Since then, researches on waveguides have aroused general interests. Waveguide gratings play a significant part in integrated optics industry and are one of the most popular optical devices. Bragg gratings are often used as reflectors in optical devices such as wavelength selector, filter and laser. Waveguide gratings can improve the performances of those devices in many aspects such as device scale, power consuming and modulation depth. Nowadays, waveguide grating is widely used in optical filters, lasers and sensors and so on. Research in this area has also made considerable progress on various integration platforms, such as indium phosphide, polymer, planar lightwave circuits, silicon on insulator and silicon nitride. Thus, the waveguide Bragg grating has great value in research. Currently, a series of filters based on silicon nitride waveguide Bragg gratings are studied, fabricated and analyzed.

In this letter, the SiO₂, silicon nitride and polymer are used as the bottom cladding, core and top cladding materials of the waveguide. We design, fabricate and test the silicon nitride/polymer integrated waveguide grating filter. Based on the researches of the filtering performances, we modified the structure parameters of integrated waveguide gratings such as their period, modulation strength and length. And we fabricated and tested the integrated silicon nitride waveguide grating filter using micro-fabrication technology. The results show the advantages of silicon nitride waveguide grating, which including the high aspect ratio of the waveguide core and the large waveguide’s refractive index contrast, have a certain reference value and important research significance.

KEY WORDS: integrated waveguide grating，silicon nitride

目 录

摘要 I

Abstract Ⅱ

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 波导光栅研究现状 2

1.3 氮化硅材料概述 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 5

第二章 波导光栅理论 6

2.1 光波导理论 6

2.2 光学器件中的色散现象 8

2.3 光束传播法简介 9

2.4 耦合模式理论和传输矩阵法简介 10

2.5 有效折射率法简介 11

2.6 三维光波导的单模条件 11

第三章 软件介绍 15

3.1 课题软件使用简介 15

第四章 集成氮化硅波导光栅的设计 17

4.1 矩形波导的设计 17

4.1.1 波导单模传输条件 17

4.1.2 BeamPROP计算有效折射率 18

4.1.3 光栅周期的计算 18

4.2 模拟光栅及滤波响应特性分析 19

4.2.1 光栅折射率调制的影响 19

4.2.2 光栅长度的影响 23

4.2.3 光栅周期的影响 25

第五章 集成氮化硅波导光栅的制备 26

5.1 设备制造 26

5.2 滤波器特性 29

第六章 结论 33

致 谢 35

参考文献（References） 36

第一章 绪 论

1.1 引言

在遥远的古代，人们便对光的传播有了一定的认识，如古代中国的烽火台就是一个实例。英国Tyndall十九世纪五十年代就观测到了光在水和空气的分界面随着水流弯曲的现象，观察到了光的全反射。Wheeler早在1880年就提出了光管道这一概念，这是光波导第一次被人们提出。1929年，美国的Hanael和德国的Lamm相继研究制备出石英光纤，并将之应用于光线和图像的短距离传输，这是光波导研究的一大飞跃，为后来的光波导的研究敲开了新的大门。

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