无源多层光波导器件半约束优化设计方法与验证

发布时间：2020-05-26 16:16

【摘要】：光通信和光网络技术的快速发展对光子集成芯片(PIC)集成度和功能提出了更高的要求。多层波导技术可实现三维集成,提高芯片集成度并扩展器件功能,但工艺难度大,对波导器件优化设计的要求高。探索合适的实现单、多层复杂结构波导器件的优化设计方法,十分重要。本文提出了光波导无源器件半约束优化设计方法,以硅基二氧化硅(SoS)双层波导无源器件为例,进行了优化设计与实验验证。本文首先定义了光波导无源器件的目标函数和变换度,目标函数评估器件性能,变换度衡量器件结构复杂度。确定了在变换度约束下实现优化设计的最小目标函数,分别建立了基于半约束优化设计方法的一、二维分区模型,确定了光波导无源器件耦合区变换单元分区,并分别给出了一、二维分区模型的优化设计方法流程。接着,本文确定以SoS双层波导无源器件为例,验证半约束优化设计方法。基于有限元法对SoS双层波导进行模式分析,在1310 nm和1550 nm波长下,获得单模传输条件,分析了波导尺寸、双层波导间隔和双层波导相对偏移对传输模式的影响,确定了双层波导结构参数。然后,本文基于所提方法优化设计了SoS双层波导无源器件,分别采用基于半约束优化设计方法的一、二维分区模型,优化设计了多模波导3 dB耦合器和波分解复用器,获得了器件结构及最佳参数,仿真分析了器件性能,分析了工艺容差对器件性能的影响。最后,对优化设计出的波分解复用器进行了实验研究。流片制备出SoS双层波导及波分解复用器,搭建了波分解复用器耦合测试系统,测试获得波分解复用器芯片插入损耗、消光比、偏振相关损耗等参数,测试结果与优化设计结果一致,但在1550 nm波长处,消光比偏低,偏振相关损耗偏大。分析了误差来源,发现双层波导上层薄膜应力不均匀是导致性能偏差的主要原因。
【图文】：

-SOI 多层波导SOI 多层波导是通过前道工序或后道工序将 SiN 层集成在 SO，从而将在 SiN 层实现的无源功能与在 SOI 层实现的有源功低损耗的 SiN 波导，低损耗低串扰的波导交叉，以及低损耗导的常用几何结构包括以下几种：高限制型的有效模面积小800 nm；中度限制型的有效模面积约为 1 μm2，通过间隔 500nm 的 SiN 波导限制光传输；低限制型的有效模面积约为 5 μ80-100 nm。可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体)沉积SiN。LPCVD需要800°C左右的高温，通常产生化学计量以在低于 400 °C 的温度下进行，产生非化学计量的 SiN(SixN的 SiN 波导使用 LPCVD 技术，，而高限制型的波导使用 L。目前损耗最低的 SiN 波导使用低限制型的几何结构以降低达到 0.1dB/m 的超低传输损耗[7]，高限制型的 SiN 波导目前

-SOI 多层波导SOI 多层波导是通过前道工序或后道工序将 SiN 层集成在 SO，从而将在 SiN 层实现的无源功能与在 SOI 层实现的有源功低损耗的 SiN 波导，低损耗低串扰的波导交叉，以及低损耗导的常用几何结构包括以下几种：高限制型的有效模面积小800 nm；中度限制型的有效模面积约为 1 μm2，通过间隔 500nm 的 SiN 波导限制光传输；低限制型的有效模面积约为 5 μ80-100 nm。可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体)沉积SiN。LPCVD需要800°C左右的高温，通常产生化学计量以在低于 400 °C 的温度下进行，产生非化学计量的 SiN(SixN的 SiN 波导使用 LPCVD 技术，而高限制型的波导使用 L。目前损耗最低的 SiN 波导使用低限制型的几何结构以降低达到 0.1dB/m 的超低传输损耗[7]，高限制型的 SiN 波导目前
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN252;TN929.1

【参考文献】

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1 文庆;微波无源器件有限元—模式匹配法研究[D];电子科技大学;2016年

本文编号：2682099