基于二维取杰光栅和新型微纳结构的光子集成设计和研究
发布时间：2020-04-11 23:48
【摘要】：随着5G时代的到来以及云存储、云计算等技术在人们生活中不断的深入和发展,大规模的信息交换、数据处理与传输对光通信系统提出了更高的要求——传输速率和容量的进一步提高。由传统的分立光子器件构成的光通信网络已经难以满足这一需求,光子集成芯片通过将分立的光子器件集成在同一芯片上,可以有效减小体积、降低功耗、提高传输速率。随着光子集成芯片集成度的不断提高,光收发模块传输速率从2017年的100 Gb/s向2020年400 Gb/s的目标不断前进。然而,光子集成芯片技术仍然面临巨大的挑战,为了提高光通信网络传输速率,适用于大规模集成的稳定且单模性好的激光光源的研究以及增加传输信道数的波分复用技术(Wavelength division multiplexing technology,WDM)以及模分复用技术(Mode division multiplexing,MDM)等复用技术的发展,是下一代光通信网络研究的重点。本论文基于二维取样光栅,对光子集成芯片中的分布式反馈激光器(Distributed feedback laser,DFB)进行优化设计,致力于提高DFB激光器的单模特性和稳定性,使其更好地应用于大规模集成。同时,还研究设计了基于MDM技术的多波长模式转换器以及宽带紧凑型模式转换器。论文对二维取样光栅以及新型微纳结构进行了模拟仿真和理论计算,为之后的器件设计提供理论指导。论文取得的主要研究成果如下:(1)论文提出了一种对制备容差度高、可以精确实现目标响应的光栅设计方案。在重构等效啁啾技术的基础上,论文通过理论分析发现,在均匀基本光栅上叠印二维取样图案,可以在其傅里叶级次子光栅中等效实现所需目标响应。光子集成器件因为纳米量级光栅结构变化的制备难度大而难以大规模应用发展。二维取样光栅可以利用微米量级取样结构的设计去实现对纳米量级目标响应的等效实现和精确控制,对光子集成器件的设计具有重要的意义。同时论文简要说明了用于对光栅及微纳结构进行物理建模仿真的数值计算方法比如时域有限差分算法(Finite-difference time-domain,FDTD)和本征 模式 展开法(Eigenmode expansion method,EME)。(2)论文提出了两种可以在基于重构等效啁啾技术(Reconstruction equivalentchirp,REC)的DFB激光器中提高单纵模特性的光栅结构:交错取样光栅和倾斜取样光栅。论文发现二维光栅比如交错光栅和一定倾斜角的倾斜光栅可以抑制布拉格反射。利用这一光学特性,论文所设计的取样光栅结构,可以实现保持工作级次如-1级傅里叶子光栅为均匀π相移光栅实现滤波选频,而同时抑制会造成激光器双模造成性能不稳定的0级子光栅。论文利用FDTD仿真了这两种二维取样光栅的透射与反射特性并在在硅基(Silicon-on-Insulator,SOI)波导上验证了交错取样光栅的光谱特性。通过二维取样光栅提高了 DFB激光器的单模特性,更适用于设计制备大规模高集成度的可调谐DFB激光器阵列。(3)基于二维取样光栅,论文设计了在氮化硅波导中的多波长模式转换滤波器。论文通过理论分析发现,倾斜取样光栅可以将目标光栅的周期和倾斜角的误差容忍度提高一个数量级以上,从而可以实现对于目标响应的精确控制。论文同时验证了基于二维取样光栅的大功率激光器和光纤传感器等光子器件。论文利用三维FDTD仿真了模式变换滤波器的反射谱与透射谱并基于倾斜取样光栅分别设计得到了双波长模式变换器以及三波长模式变换器。通过改变取样光栅周期和角度可以实现对模式变换波长和转换效率的调节。(4)论文利用多边形深槽结构设计了基于横向电场模式(TEm)的宽带高效紧凑型模式转换器,实现了从TE0到TE1,TE0到TE2,TE1到TE3,TE2到TEi等多种模式转换。以TE0到TEi和TE0到TE2的两种模式转换器为例,器件长度小于24.0μm,转换效率高于97.6%,模式串扰低于-20 dB,工作带宽为100nm。
【图文】：
图１．２邋１０通道大规模光子集成芯片发射端的结构示意图逡逑
在光子集成芯片的不断发展过程中，人们发现，同微电子领域内芯片集成度逡逑遵循的摩尔定律类似的是［２３］，光子集成芯片的集成度近似每２．５年翻一番［２４】。从逡逑图１．３中单个芯片集成的光子器件数目随时间不断的增长可以验证这一集成度的逡逑增长规律。目前光子集成的研[傊饕性谝裕桑睿小ⅲ牵幔粒蟮龋桑桑桑肿灏氲继寤襄义衔镂骱鸵怨杌庾友鞯牧街旨际跎稀Ｂ畚慕踊谡饬街植牧系墓庾蛹慑义闲酒难芯亢头⒄估捶治龉庾蛹擅媪俚幕龊吞粽健ｅ义希保埃埃板澹殄我诲澹浚茫希祝眨常担棋义希小危缅澹校瑁幔浚穑垮澹卞澹茫希拢遥铃义蟜澹慑危板危村澹蹋酰悖澹睿簦″澹拢澹戾义希驽澹玻埃板五五澹危掊义希澹危澹劐逡诲义希悖戾危危危澹簦睿幔浚铮垮义希驽危劐危垮澹义希稿危铃澹蓿礤义希澹保板澹澹掊义稀觯驽危眩义希插危铮椋睿妫簦妫椋澹颍义希危希眨茫樱稿义希卞澹五五五五五濉辏惧澹酰悖镥义希保祝靛危保梗梗板危保梗梗渝危玻埃埃板危玻埃埃渝危玻埃保板危玻埃保渝义贤迹保彻庾蛹尚酒啥人媸奔涞谋浠荆玻础垮义献ⅲ杭啥戎傅ジ鲂酒霞善骷垮义希保玻卞澹桑睿泄庾蛹慑义弦蛭裕桑睿形淼模桑桑桑肿灏氲继寤衔锸粲谥苯哟恫牧希郏玻担荩缤迹保矗ǎ幔╁义纤荆缱涌梢灾苯哟拥即自厩ǖ郊鄞ビ肟昭ǜ春希庾樱恍枰钔忮义系亩坎钩ィ虼朔⒐庑矢撸哂辛己玫姆⒐馓匦裕梢灾票讣す馄骱凸夥糯箦义掀鳌Ｒ蚨冢桑睿械墓庾蛹尚酒啥群芨摺Ｍ保缤迹保矗ǎ猓┧荆黠厣殄义狭姿脑衔锞哂泻芎玫木Ц衿ヅ
本文编号：2623994
【图文】：
图１．２邋１０通道大规模光子集成芯片发射端的结构示意图逡逑
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