基于渐变折射率波导的集成光电器件研究

发布时间：2020-03-20 01:15

【摘要】：近年来,互联网通信带来的数据流量急剧增长,同时对信息传输和数据带宽的要求不断提高,光通信技术因其通信容量大、传输损耗低等显著性优势成为当今社会的主流信息传输方式。在此基础上发展起来的硅基光电子集成技术是将来高速光通信、数据中心互连以及传感技术的一种高效片上光学解决方案。基于渐变折射率的集成光波导器件的研究是新的研究方向,因其特殊的折射率分布形式,可以用来设计小体积、高性能的器件,为硅基光电子集成向“微型化”“轻型化”提供了新的思路。本论文从几何光学的射线分析法角度出发,理论分析了光在渐变折射率光波导中的传播。总结提出聚焦常数是影响波导自聚焦周期的关键参数。利用数值仿真软件,仿真验证了聚焦周期与渐变折射率差值以及波导芯层尺寸之间的关系。并且以多模干涉理论为基础,详细分析了自聚焦和自映像效应的区别与联系,并详细推导了自聚焦周期与波导参数之间的关系。深入分析了不同的折射率分布形式对聚焦周期和聚焦光斑质量的影响。并首次提出聚焦光斑的质量不仅和渐变折射率基模的场分布有关,还和各阶模式的能量占比有关,为基于渐变折射率分布的器件设计提供了新的理论支持。结合理论分析,以平方律分布形式的波导为基础,并综合工艺参数的要求,提出了一种基于渐变折射率波导自聚焦效应的新型模斑变换器。该模斑变换器的输入波导宽度为12μm,输出波导的宽度为0.5μm,传输效率可达97.8%。同时针对聚焦光斑和单模波导间的模场失配问题,优化了线性锥形过渡波导,在带宽不变的情况下该器件的总长度只需19.3μm,是现有报道的模斑变换器最小尺寸的1/6,可进一步提高硅基光电集成芯片的集成度,并为其他器件和系统的设计优化提供了新思路。本论文的研究重点是渐变折射率波导的自聚焦效应,并在此基础上设计了新型模斑变换器。这为小体积、高性能的集成光电器件的设计提供了新的思路,为大规模光电集成打下坚实的基础。
【图文】：

融、统一发展的过程中，，人们致力于继承当前硅基微电子产业比较完备的理逡逑论体系与成熟的技术成果，在硅材料平台上面实现光子和电子器件的集成，逡逑如图１－１所示。逡逑２逡逑

在Ｙｅｅ氏网格分布中，空间各位置的节点上交错地存放了电场和磁场的六量。在每个坐标平面上，以电场分量为中心，四周围绕分布着磁场分量；同足每个磁场分量的周围围绕分布着电场分量。Ｙｅｅ氏网格体系体现出来的电分量空间配置方式与实际电磁场分布的基本规律十分契合，也满足麦克斯韦组的基本要求，这说明Ｙｅｅ网格元胞符合空间中电磁波传播的基本规律。时限差分法得益于电磁场分量的这种空间网格分布，在有限的计算机存储内，能够快速精确的模拟出电磁波的传播以及它和散射体之间的相互作用过时在这种电磁场的各分量分布方式下，当空间的介质面发生突变时，依然能足突变介质面上场分量连续性的要求，这为模拟解决复杂结构的电磁场计算带来了很大的便利性。同时也有效促进了时域有限差分法的广泛应用。逡逑该网格体系中，每个坐标轴方向上交叉分布的场分量间相距半个网格空间，所以同种类型的场分量的间隔刚好为一个空间步长。在图２－１的网格元胞中间上的离散规则并没有明确标定。为达到计算稳定性的内在要求，离散的时
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN256

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 卢权;唐振方;;渐变折射率减反膜的设计及其全向性能[J];光学技术;2015年04期

2 陈润秋;刘艳;高松;;渐变折射率多模光纤中的多模干涉应用研究[J];光电技术应用;2014年03期

3 刘晓山;付国兰;刘清;;渐变折射率波导中的等效折射率分析[J];江西科学;2006年05期

4 王志明，江源;650nm波长处2．5Gb／s码速的100m长渐变折射率塑料光纤数传链[J];电线电缆;1996年04期

5 江源;渐变折射率聚合物光纤的研究进展[J];光通信研究;2000年03期

6 林维德,庄松林;径向分布渐变折射率透镜的初级象差[J];仪器仪表学报;1992年03期

7 吴梦荧;李梅花;张勇;徐昌龙;;基于渐变折射率透镜的配光研究[J];新技术新工艺;2015年12期

8 郭冲;杨天新;巴荣声;杜涛;刘玉红;李世忱;;纵向应用形式的渐变折射率棒透镜的光学追迹研究[J];科学技术与工程;2007年10期

9 付国兰,曹庄琪,丁渊,朱海东,沈启舜,刘三秋;渐变折射率波导表面折射率的确定[J];光学学报;2005年02期

10 毕叔和;渐变折射率塑料光纤的研究动态[J];光纤与电缆及其应用技术;2001年05期

相关会议论文 前6条

1 欧阳桂仓;刘学军;刘刚;徐荣辉;叶志清;;离子交换渐变折射率平面光波导的折射率分布的确定[A];2007年全国第十六届十三省（市）光学学术会议论文集[C];2007年

2 贺洪波;张俊超;方明;;渐变折射率薄膜材料与新型滤光片[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

3 胡炼;刘存兄;倪邦发;田伟之;王平生;黄东辉;张贵英;肖才锦;吕鹏;;利用重粒子固体核径迹形成材料的渐变折射率表面[A];第九届全国固体核径迹学术研讨会论文集[C];2007年

4 鄢秋荣;黄伟;张云洞;;傅里叶合成法设计渐变折射率薄膜[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年

5 刘旭;曲舒霆;洪玮;于兵;柏宁丰;肖金标;孙小菡;;采用准轴向渐变折射率透镜的平面光波光路芯片耦合结构[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

6 李庆国;吴雯雯;孙可元;;MCVD渐变折射率多模光纤预制棒工艺探讨[A];中国通信学会2013年光缆电缆学术年会论文集[C];2013年

相关博士学位论文 前4条

1 朱清溢;渐变折射率光子晶体的负折射特性及相关应用研究[D];电子科技大学;2016年

2 齐美清;超材料透镜和超表面对电磁波的调控及应用[D];东南大学;2016年

3 李艳秀;基于变换光学的新型电磁功能器件的研究与设计[D];山东大学;2016年

4 张沛;基于能带特性与变换介质的液体表面波调控研究[D];浙江大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 李梦华;基于渐变折射率波导的集成光电器件研究[D];山东大学;2019年

2 徐玉;硒化锌纳米空心球渐变折射率可见—近红外增透膜的研究[D];天津大学;2017年

3 王来军;基于渐变折射率人工电磁材料的平板透镜天线研究[D];桂林电子科技大学;2018年

4 董莹;渐变折射率薄膜光学常数测试与评价[D];西安工业大学;2013年

5 李宇航;渐变折射率光子晶体的超分辨聚焦研究[D];电子科技大学;2017年

6 王莉;平面波导中怪波管理的研究[D];西北大学;2015年

7 陈润秋;复合光纤多模干涉技术研究[D];北京交通大学;2014年

8 赵天;基于化学腐蚀方法制作的干涉型光纤传感器[D];电子科技大学;2012年

9 韩文清;新型人工电磁材料平板透镜及其应用[D];东南大学;2016年

10 吴梦荧;阵列LED均匀配光及渐变折射率透镜研究[D];浙江工业大学;2015年

本文编号：2591010