SOI脊形光波导1550 nm波长单模条件分析

发布时间：2021-04-19 19:54

随着硅基光子学的发展,高密度集成光学器件成为人们关注的热点,对于单个光器件,满足单模传输是最基本的要求,这可以避免模式间耦合、色散等负面效应;此外,光器件的输入输出端也应便于与单模光纤进行耦合,如果端口波导的尺寸太小,与光纤耦合的难度就很大,会影响光器件的性能。在集成光学领域,绝缘体上硅(SOI)材料被广泛运用,其导波层硅(即顶层硅)和下包层(即二氧化硅)的折射率差很大,由它们组成的脊形光波导在垂直方向上对光的限制作用很强,但是在水平方向上对光的限制较弱,高阶模会随着光的传输迅速衰减,波导中最终只能存在基模,从而实现单模传输。因此,SOI脊形光波导在比较大的截面尺寸下仍能保持单模特性。本文旨在保证单模传输的前提下,设计出截面尺寸尽可能大的脊形光波导,提高与单模光纤的耦合效率。本文从电磁波的麦克斯韦方程着手,采用模式匹配法(Film-mode-matching method,FMM),有限元法(Finite-elements method,FEM),有限差分法(Finitedifference method,FDM),有效折射率法(Effective-index method,EIM)分析了SOI脊形光波导中第一个高阶模的传播特性。同时利用FIMMWAVE软件分析了内脊高为2μm,3μm,和5μm的SOI脊形光波导,提出了更加精确适用的单模条件,并与经典的脊形波导单模条件进行了比较,即Soref单模条件和EIM单模条件。研究发现,在单模条件公式中,并不存在一个固定不变的常数α,使得改公式满足所有几何参数的脊形光波导。因此,针对这三种不同内脊高的波导,修改了对应的α值,使其与模拟的结果吻合,同时提供了更大的尺寸选择范围。对于TE偏振来说,如果内脊高超过5μm,α的值为0.3,与Soref公式相同;如果内脊高为2μm,3μm,和5μm,对应的α的值分别为0.45,0.4和0.35。对于TM偏振来说,α的值则是固定的,即0.25。利用本文的单模波导设计条件,成功应用于硅基马赫-曾德尔热光开关的研制。本文成功制备了四组不同刻蚀深度的脊形光波导,每组均包含不同宽度的波导,涵盖了单模波导和多模波导。在波导的测量方面,本文介绍了观测波导模式的流程以及如何判断光纤与波导是否成功耦合的方法,并讨论了测试中出现的问题。最后值得一提的是本论文的研究对今后工程设计工作于光纤通信C波段大截面单模SOI脊型光波导及相应的光子集成器件具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 硅基光子学的发展与SOI介绍

1.1.1 硅基光子学的发展

1.1.2 SOI介绍

1.2 硅基光子集成技术

1.2.1 SOI光波导器件

1.2.2 SOI光调制器

1.2.3 SOI光子集成器件的优势

1.3 国内外研究现状

1.4 研究目标和研究内容

1.5 论文结构

第2章 SOI光波导的理论分析方法

2.1 硅基光波导的分类

2.2 光波导中的模式

2.3 理论分析方法

2.3.1 模式匹配法（FMM）

2.3.2 有限元法（FEM）

2.3.3 有限差分法（FDM）

2.3.4 有效折射率法（EIM）

2.4 模拟软件介绍（FIMMWAVE）

2.5 本章小结

第3章 SOI脊形光波导单模条件数值分析

3.1 模式的有效折射率分析

3.2 模式的Fill factor与电场强度轮廓分布分析

3.2.1 模式的Fill factor分析

3.2.2 模式的电场强度轮廓分析

3.3 模式的双折射效应与模式损耗分析

3.3.1 双折射效应分析

3.3.2 模式损耗分析

3.4 Side loss分析

3.5 基于SOI脊形光波导的单模条件分析

3.6 本章小结

第4章 SOI脊形光波导的制备

4.1 SOI晶片的制备方法介绍

4.1.1 键合-背面腐蚀技术

4.1.2 注氧隔离技术

4.1.3 注氢智能剥离技术

4.2 SOI脊形光波导的制备工艺流程

4.3 本章小结

第5章 SOI脊形光波导的测试

5.1 光学端面耦合平台介绍

5.2 测试流程介绍与测试结果分析

5.2.1 测试流程

5.2.2 测试结果分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

硕士期间参与的科研项目

致谢

【参考文献】