於布拉格反射鏡上製作次波長光柵耦合器

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祝慶松(Qing-Song Zhu) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

於布拉格反射鏡上製作次波長光柵耦合器
(Fabricating sub-wavelength grating coupler on the distributed Bragg reflector)

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摘要(中)

本論文研究主要探討次波長光柵耦合器如何在入射光垂直入射耦合的情況下，降低穿透至基板的繞射光並維持高效率耦合，本研究所使用的模擬方法為有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain ; FDTD)，對於光柵週期、薄膜厚度、不同光柵結構、反射光柵的加入與布拉格反射鏡影響耦合效率做詳細的探討。
模擬上光源的為中心波長為1310 nm的高斯光束，波導材料選用為〖Ta〗_2 O_5，包覆層材料為〖SiO〗_2。模擬結果顯示結合布拉格反射鏡與反射光柵下最佳垂直耦合效率。並發現光柵週期的倍數亦可將光耦入波導。
製程上以電子束微影(Electron-beam lithography)製作光阻光柵於波導層上，並選用直接於光阻光柵上鍍製一層〖Ta〗_2 O_5包覆之製作耦合光柵，為一種可使光柵形貌與蝕刻製程相近之製程。
最後量測上，在利用單模光纖作為光源，強度為20mW的情況下，成功的將波長1310 nm的紅外光耦合進波導並耦合出，並量測到耦出光強為約35.3μW。

摘要(英)

The purpose in this study is the design and fabrication of a sub-wavelength grating coupler with high efficiency for vertical coupling.We designed the coupler using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. The grating period, film thickness, different grating structure, reflector grating and distributed Bragg reflector were discussed to enhance the coupling efficiency in detail.
The light source is a Gaussian beam with the central wavelength, 1310 nm. The waveguide layer and cladding layer materials are 〖Ta〗_2 O_5 and 〖SiO〗_2, respectively. The highest coupling efficiency 63% with reflector grating and distributed bragg reflector at wavelength 1310 nm was achieved by our simulation. The multiple grating period also has a high coupling efficiency.
In experimental, we used electron-beam lithography to fabricate the sub-wavelength photoresist grating on a 〖Ta〗_2 O_5 waveguide layer. Then a 〖Ta〗_2 O_5 layer was deposited on the photoresist grating to form the coupler grating.
Finally, a single-mode fibers light source with the intensity of 20mW was used to measure the sub-wavelength grating. The intensity of the out coupling light on the coupler grating is 35.3μW .

關鍵字(中)

★ 光柵耦合器
★ 垂直耦合
★ 次波長
★ 布拉格反射鏡
★ 平板薄膜
★ 五氧化二鉭

關鍵字(英)

論文目次

目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 ⅤⅡ
表目錄 ⅩⅠ
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 5
1-3 論文架構 8
第二章基本理論 10
2-1 波導原理 10
2-2 光柵耦合原理 14
2-3 有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain ; FDTD) 18
2-4 電子束微影(Electron-beam lithography)原理 25
2-5分佈式布拉格反射鏡 27
第三章元件設計與模擬 28
3-1 元件設計介紹 28
3-2光柵與波導層耦合效率相關性分析 32
3-2-1光柵週期與波導層厚度 33
3-2-2填充因子(Fill factor) 37
3-2-3光柵深度 39
3-2-4光柵形貌 40
3-2-5反射光柵 46
3-3薄膜與耦合效率相關性分析 51
3-3-波導層厚度 51
3-3-2包覆層厚度 51
3-3-3布拉格反射鏡 53
3-3-4薄膜材料 56
3-4最佳模擬結果 58
3-4-1最佳化 58
3-4-2耦合角度影響 60
3-4-3耦合入與耦合出比較 61
3-4-4 垂直耦合結構與傾角耦合結構之比較 62
3-5實際製作 63
第四章元件製作與量測 67
4-1 元件製作與流程介紹 67
4-2 製程與量測設備介紹 70
4-3 薄膜表折射率分析 75
4-4 光柵之波導垂直入射耦合元件製成方法與結果 76
4-5 元件測量 81
第五章結論與未來展望 86
參考文獻 88

參考文獻

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指導教授

陳昇暉(Sheng-Hui Chen)

審核日期

2016-11-2

推文