【摘 要】
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中红外波段一般是指波长范围在2～20μm左右的光谱,该波段囊括了许多气体分子的“指纹谱区”以及两个大气透射窗口,在气象监测、空间光通信、激光雷达、激光测距等多个方面都有着重要的应用。硅基光子学能实现集成、大带宽和低损耗的光器件,是近些年的研究热点。随着近红外波段硅基光电子器件的研究逐渐成熟,科研人员开始拓展其在中红外波段的应用,其优势如下:首先,硅材料在较宽的中红外波段（2～8μm）存在低损耗传输
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中红外波段一般是指波长范围在2～20μm左右的光谱,该波段囊括了许多气体分子的“指纹谱区”以及两个大气透射窗口,在气象监测、空间光通信、激光雷达、激光测距等多个方面都有着重要的应用。硅基光子学能实现集成、大带宽和低损耗的光器件,是近些年的研究热点。随着近红外波段硅基光电子器件的研究逐渐成熟,科研人员开始拓展其在中红外波段的应用,其优势如下:首先,硅材料在较宽的中红外波段（2～8μm）存在低损耗传输窗口。其次,硅在波长大于2.2μm后的双光子吸收效应基本可以忽略,减少了对功率限制的影响。同时,近年来发展迅速的2μm波段掺铥光纤放大器技术,使得这个波段有望成为拓展通信容量的下一个光通信的窗口,而2μm波段的中红外硅基器件还亟待开发。因此,在硅基平台上实现低损高效的中红外器件,提升硅基器件的工作带宽,实现同时覆盖通信和中红外波段的大带宽光电子器件是值得进行进一步的研究和探索的方向,也将催生一系列新型应用。本文围绕硅基平台,对片上中红外宽带光电子器件展开了研究:介绍了硅基光波导的工作原理、数值计算方法和设计思路;设计并制备了绝缘体上硅平台同时工作在1.55μm和2μm波段的多模干涉器,基于马赫曾德尔干涉的波长滤波器和2μm宽带功分器。设计了锗硅平台上3.8μm宽带功分器,以及宽带大扫描角度的光学相控阵。论文的具体内容和研究成果如下:（1）介绍了硅基光波导的工作原理,中红外波段在该平台上的模场分布和传输特性,以及仿真设计光波导器件的主要方法和基本流程。以直波导和定向耦合器为例,举例说明了数值仿真计算在光波导分析中的应用。（2）研究了基于绝缘体上硅平台的两个基本器件:创新性地提出了可以同时工作在1.55μm和2μm波段的多模干涉器,介绍了它的工作原理并其进行实验测试以评估器件性能。创新性地提出了2μm处基于马赫曾德尔干涉原理的1×8波长滤波器,采用优化后的级联结构以得到平坦的滤波曲线,并介绍了初步实验结果。（3）研究了基于绝热模式演化的两种中红外大带宽功分器:基于绝缘体上硅平台的2μm功分器和基于锗硅平台的3.8μm功分器,分别介绍了其工作原理和设计思路,并讨论了其工作性能,其中对2μm宽带功分器进行了制备并搭建实验平台完成测试。（4）研究了用于通信波段和中红外波段的片上光学相控阵:基于对绝缘体上硅平台多个宽带单元器件的研究,设计了在通信和2μm波段同时工作的硅基光相控阵结构,仿真实现了一维大角度扫描,并对光相控阵基本参数进行了分析,最后讨论了器件的工作性能。
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