基于硅波导的偏振不敏感型光功分器的研究

发布时间：2020-04-11 02:33

【摘要】：光功率分配器是对光信号进行分配和合成的最基本的器件之一,也是构成其他复杂光学器件的重要组成部分,如光开关、波分复用器等。近年来,硅基光集成器件由于其超小的尺寸,超低的损耗及与传统的CMOS工艺兼容等优势,在光互连、光通信领域发挥着越来越重大的作用。因此基于硅波导的光功分器的研究得到了越来越多的关注。目前基于硅基集成平台,光功分器主要有三种实现方案:Y形分支、定向耦合器、多模干涉耦合器。但是同时这些方案都有各自的优缺点。对Y形分支功分器,通常不易实现2×2的功能,而2×2功能在很多光开关里是必须的,另外在实际制作过程中,由于工艺水平的限制,两输出波导之间的分支角不可能做成完全的尖角,从而引起较大的模式失配损耗。而对于传统的基于定向耦合器和多模干涉耦合器的光功分器,往往是对偏振和波长的敏感。本文的主要工作是解决传统基于定向耦合器的功分器对偏振敏感的问题,提出一种新颖级联的弯曲方向耦合器结构。首先,本文介绍了几种常见的光波导材料及其应用。为了描述光波导中的模场分布,我们采用了波动理论推导了平板波导的特征方程。另外,我们还介绍了在实际光波导设计中应用更加普遍的光束传输法和时域有限差分法。然后,提出了一种基于级联弯曲定向耦合器的大带宽且偏振不敏感型2 × 23dB光功分器结构。其中设计第一个定向耦合器的参数使其能将TE偏振光分配为50%:50%,设计第二个弯曲定向耦合器参数使其对TE偏振光是弱耦合,因此整个器件对TE偏振光仍能保持3 dB分光比。由于TM偏振的光耦合强度比TE大,第二个定向耦合器仍能对TM光进行分配,通过优化参数,使得整个器件对TM偏振也能实现3 dB分束,因此该器件能对两偏振态都工作,且工作带宽为1520到1630nm,附加损耗小于1 dB,器件整体尺寸小于50μm。接下来,我们详细介绍了硅基光功分器的制备工艺流程,主要包括曝光、显影、刻蚀等。我们对该器件进行了测试,测试结果与仿真良好吻合,且有着良好的工艺容差。最后,我们搭建了一个硅波导与光纤阵列垂直耦合封装平台,能够实现硅波导与光纤阵列的高效耦合封装。我们详细介绍了光纤阵列与光栅耦合器对准方法及封装流程,并成功实现了硅波导与单模光纤的耦合封装。
【图文】：

结构图,集成光学器件,工艺,硅基

转换为电信号的器件。由于硅材料在通信波段（１．３－１．６／＾ｍ）是透明的，，因此若要逡逑实现硅基探测器则需要结合其他材料。目前主要的研究有锗硅探测器［１３，１４］、石墨逡逑烯探测器［１５］、雪崩光电探测器［１６］等等。图１．２为各种硅基有源器件的结构图，其逡逑中（ａ）为硅基混合激光器，（ｂ）为硅基微环调制器，（ｃ）为锗硅探测器。逡逑２逡逑

波导,硅纳米线,波导结构,脊形波导

逦■逡逑ｉｌｌ邋０ｆ逡逑（ｂ）逦－Ｖ：邋３Ｖ逡逑图１．２邋（ａ）硅基混合激光器［９］；邋（ｂ）硅基微环调制器［１１］；邋（ｃ）锗硅探测器［１３］逡逑（ａ）逦；逦２邋ｐｍ邋；逡逑ｉ邋．，＇＾＾．．￣ｉ邋Ｏｘｉｄｅ逡逑－逦Ｓ邋丨：，，逡逑Ｏｘｉｄｅ逡逑（ｂ）逦（0）逡逑：５００邋ｎｒｎ邋：逦６？ｎｍ逡逑＿逦ａｉ逡逑Ｏｘｉｄｅ逦Ｏｘｉｄｅ逡逑图１．３无源硅波导结构Ｗ：邋（ａ）脊形波导；（ｂ）硅纳米线波导；（ｃ）槽式波导逡逑在硅基无源器件中，硅纳米线波导是应用最多的无源波导结构，通常波导宽逡逑度只有几百个纳米，弯曲半径可达到几个微米，所以能够实现高密度集成。例如逡逑片上的波导型光延时线［１７］能够实现＞５００邋的时延，且尺寸小于０．０９邋ｍｍ２。然逡逑而其缺点是，硅纳米线波导的侧壁的粗糙程度对其传输损耗有着较大的影响，目逡逑前工艺水平制备的硅波导的传输损耗约为２邋ｄＢ／ｃｗ。另一种无源波导结构是大面逡逑积脊型波导结构。相比于硅纳米线波导
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN256

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