基于光栅的偏振滤波器和层间均等耦合器

发布时间：2020-04-12 18:45

【摘要】：信息化的时代,世界上每天都在产生海量的数据,这些信息数据需要高效、快捷的处理,便需要高性能的计算系统,也就对互连技术提出了很高的要求。传统的电互连技术芯片,其性能的提升依赖于减小导线特征尺寸来实现高密度集成。然而此技术正逐渐遇到瓶颈、无以为继,用光取代电来实现集成芯片已经成为公认的有效解决方案,尤其是基于硅基材料的光互连芯片。由于硅折射率远高于石英材料,可以进一步降低器件尺寸。但是硅基光子集成器件的高折射率差波导结构,提高集成度的同时也带来了偏振敏感性的问题;另外,将不同功能的光子器件分布在不同层中,既有利于光路的设计、信号的处理,也可以进一步提高了器件的集成度和减少光纤使用,因此不同层间的互连传输也成为未来的发展方向。为了解决上述的问题,我们创新性地提出了光栅波导偏振滤波器和层间均等耦合器。本文主要的研究内容如下:(1)介绍了硅基光子学的发展,对各种偏振处理器件的原理和性能进行了讨论,并阐述了不同层间光互连技术的研究进展。(2)对器件设计过程中涉及到的光栅理论、平板波导理论和数值计算方法进行了简介。(3)提出了基于光栅结构的波导型偏振滤波器。利用亚波长光栅衍射耦合机制,实现了特定偏振光不同模式之间的转换,使其由向前传输模式转换成背向传输模式,而另一正交偏振光的传输模式不受影响直接透射,实现偏振滤波。其中,光栅结构区主要有两个作用:具有多个波导模式;光栅形成了布拉格反射器反射特定偏振光。文中对该器件的原理和设计过程中各参数的设定进行了详细讨论。本器件具有宽带宽、高消光比、低插损、大构造容差等优秀特性,使得光子集成芯片的实际应用更进一步。(4)提出了基于光栅结构的波导型层间均等耦合器。利用光栅衍射耦合原理和光学共振腔原理,实现了宽波段的向上和向下均等衍射耦合。通过设计光栅高度实现不同波长的光在不同的位置衍射输出,还通过光栅占空比的调节降低了器件的反射率。文中对该器件设计过程中的各参数设定进行了详细讨论。该器件具有宽带宽、低插损、向上和向下衍射效率可控的特性,为三维层间光互连的灵活组网提供了思路。
【图文】：

模块图,集成光路,硅基,模块

图 1-1 Intel 硅基集成光路几大组成模块Fig.1-1 Several major components of silicon based integrated optical path proposed by Intel.1.2 偏振滤波器的研究进展硅基光子学中，光波导的材料是硅，器件结构则是在硅衬底和上硅层之间引入一层二氧化硅掩埋层，即绝缘体上的硅（Silicon on Insolator, SOI）。得益于硅和二氧化硅之间大的折射率差，SOI 光波导器件具有集成度高、尺寸小等优点。众所周知，光子存在着两个偏振方向，在被低折射率材料包覆的硅波导里传输时，光传输过程中的偏振敏感性成为一个严峻的问题，尤其是在光的偏振态需要严格控制的情况下，比如说量子计算机的两个正交偏振态的控制。一般的解决方法是在光路系统中加入偏振滤波器，常见的偏振滤波器有：定向耦合器 DC (Directional Couplers)、马赫-泽德干涉仪MZIs(Mach ZehnderInterferometers)、多模干涉仪MMI(MultimodeInterference)、

偏振分束器,非对称,条形波导

上海交通大学硕士学位论文耦合器是一种常用的偏振分束器，因为它的结构简单且易于制作型的对称定向耦合器结构，它由两个平行放置的相同条形波导组的两个偏振光经过一定距离的传输后，其中一个偏振光满足相位旁边的条形波导中并输出，而另一束偏振光不满足相位匹配条件接传输输出，这样就达到了偏振分束的目的。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN622;TN713

【参考文献】