1.1 研究目的及意义

近年来光子技术变得越来越重要，因为其潜在的应用价值帮助了微电子行业维持“摩尔定律”。众所周知，这个定律讲的是每 18 个月计算机的性能将翻一番的发展趋势。在 2000 年以前，微处理器的性能可以通过增加它的时钟频率进行衡量。但是，当时钟频率达到几个 GHz 时，进一步提高时钟频率来提高微处理器的性能就会出现问题，功耗的急剧下降，导致微处理器产生的热密度变得难以维持。而后，为了克服这个热密度的问题就研究开发了多处理器。然而，随着集成处理器数量的增加，微处理器对片上和片外的通信带宽的要求也变得越来越苛刻，而且传统上基于多处理器内部建立的电通信网络，最终将达到它的带宽极限而成为一个技术瓶颈。另一面，当集成电路上的晶体管越来越多时，所需要的排线也越来越多，如今，芯片上的布线已经达到了每平方厘米一公里长的排布。当信息经过如此长的排线时，它所携带的功率势必要被这些排线的电阻消耗而产生大量的废热，同时也带进了电路的延迟，这对高速传播技术的发展也是一个大的限制。

通过让光子来代替电子，光载流子巨大的可用带宽就可以用来克服微处理器的带宽限制，而且光子的高速响应也能克服电路延迟带来的限制。对于这种应用需求，建立在硅绝缘体平台的硅光子学是很有前途的方法，能有效地解决芯片级的带宽问题和延迟问题。通过开发一系列的互补式金属氧化物半导体(CMOS)集成技术，这种具有强大功能的技术能带来广泛的应用。过去十年中，我们见证了基于绝缘体上桂（Silicon-On-Insulator, SOI）的光子集成快速发展。硅光子集成的关键优点是大面积的衬底和成熟的CMOS兼容工艺，以及可以单片集成。这些特征再加上硅光子平台中的高折射率差，可以以较低的成本来大量制造高集成度的集成的光子器件。虽然理论上硅光子对于大规模的复杂集成光路，例如用于多波长相干收发器，光学互连网络和光交换网络是理想的材料，但实际上由于各种损耗、串扰和常规硅光子加工平台的工艺误差限制了它们的实现和发展。

相比之下，氮化硅（siliconnitride）是一种具有适中折射率差的CMOS兼容材料。其优点具体体现为氮化硅光波导在通信波长范围内几乎不会存在自由载流子吸收；并且其最低阶非线性极化率相比硅约小20倍，这意味着氮化硅光波导可以承受比SOI光波导更高的光功率；此外由于氮化硅的热光系数比硅的热光系数小了约５倍，这样氮化硅光子元件对温度的敏感程度就远小于硅光子元件，更加适用于恶劣环境，具有更好的普及性。在包层是二氧化硅（SiO₂，n≈1.45）的情况下，氮化硅光波导（n≈2）相比于SOI（n≈3.48）具有相对较小的芯包层折射率差，就减少了由于侧壁粗糙导致的散射损耗。在常用的通信波长以外，氮化硅光波导的光学透明度在近红外和可见光波长范围内很高，使其也同样适用于非通信方面的应用，如生物传感器等领域。由于氮化硅这些出色的光学性能，最近一些研究人员正在研究将氮化硅光波导集成到SOI光子平台或将硅光波导集成到氮化硅波导平台上。氮化硅光波导因其出色的光学特性，使得用氮化硅材料来制作光集成器件正成为一个活跃的研究领域，如制备光开关、布拉格光栅、微环谐振腔以及其他无源器件等。然而对任何一种光子器件而言，波导的损耗都是制约光在波导内的传输距离和光子芯片集成度的一个重要因素，虽然氮化硅光子芯片技术在逐渐成熟，但是耦合损耗和传输损耗依旧存在进一步减小的空间，端面耦合的容差率也有待提高，波导损耗对通信领域而言则意味着信息的丢失，这是一个不可忽视的关键问题。所以，研究氮化硅光波导的损耗特性对氮化硅集成光子芯片的发展具有重大意义。

1.2 国内外现状及发展趋势

近几年来，随着集成光子学器件的迅速发展，针对器件的材料及损耗研究也越来越多，并且取得了令人瞩目的结果。

康奈尔大学的M.Lipson等在2006年利用硅纳米波导中的四波混频效应实现了宽带的光学参量放大，同时实现了1511-1591nm范围内，最高效率达到 5.2dB的波长转换，并在第二年用优化了结构参数的相同器件实现了全光信号恢复。在2011年，她们利用氮化硅的微环谐振器，实现了片上二次谐波、三次谐波的产生。而在2012年，她们利用氮化硅波导，实现了谱宽达到1360nm的片上超连续谱输出，同年利用级联四波混频效应，实现了100GHz左右重复率的梳状光谱输出。可以说，对于片上硅基波导的非线性研究，她们组一直走在世界的最前沿。其他小组也为该领域的发展做出了不少贡献。哥伦比亚大学的R.M.Osgood等人在2010年利用 SOI 波导中的四波混频效应，实现了中红外波段，增益为25.4dB的参量放大，并在2012年通过SOI波导中的波长转换效应，将中红外的信号光信息转移至通信波段的闲频光上，方便了信号的探测以及处理。加州大学圣迭戈分校的S.Mookeherjea等人采用级联微环耦合器的方式，实现了硅基片上单光子。因特尔的HaishengRong等则利用四波混频效应中闲频光与信号光处于光学共轭这一性质，实现了基于SOI波导的片上色散补偿。在2012年，Gajda Andrzej等人则利用反向的PIN结构，减少自由载流子的浓度以降低损耗，实现了最高转化效率为-5.5dB的四波混频。

本文就氮化硅波导在线性和非线性方面的应用进行研究，期望在满足四波混频技术的色散要求的前提下，通过仿真计算出不同结构参数时的色散曲线，结合近年来关于光波导的相关研究，以得到适合四波混频应用的波导结构，为氮化硅光波导的应用和发展提供合理依据和指导。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容：

查找书籍，收集行业现状和技术要点，了解氮化硅的应用，特别是在四波混频技术中的应用，总结出四波混频技术中色散的要求，学习通过软件计算色散和色散曲线的方法。计算不同结构参数时的色散曲线，所谓不同结构指的是不同宽度、不同厚度等。分析数据，总结出适合四波混频应用的波导结构。

2.2 设计的目标

1 理论研究，明确研究目的及意义，系统阐述研究方法。

2 学习四波混频技术，了解氮化硅光波导在四波混频技术中的应用及色散要求。

3 建立仿真模型，掌握计算色散和色散曲线的办法，计算不同结构参数时的色散曲线。