集成光ADC器件的设计与研究
发布时间：2020-08-15 16:51
【摘要】：模数转换器(Analog-to-Digital Convertor,ADC)的功能是将模拟信号转换为数字信号,是模拟世界和数字世界的桥梁,是当今数字化时代的重要技术基石之一,在军、民各领域都具有极其重要的作用。随着人们对数据业务需求的日益增长,由于电ADC的时间抖动以及比较器模糊等瓶颈,借鉴于光ADC可以进一步克服电子瓶颈所带来的阻碍,也便于实现光路的片上集成的优势,光ADC被提出并得到广泛关注。就目前报道来看,可集成的光ADC还处于各关键单元器件不断完善的阶段。在对单元器件设计和实现的过程中,尤其是测试过程中,用于单元器件与测试光纤耦合的光栅耦合器扮演着重要的角色。针对不同的测试需求,需要设计不同特性的光栅耦合器,并将其完善至元器件库,对光ADC走向实用具有重要意义。鉴于此,该论文围绕硅基光栅耦合器展开研究。论文的主要工作内容如下:1.提出了增加光栅耦合器耦合效率的切趾光栅耦合器结构。通过设计光栅耦合器的占空比,使光栅耦合器的有效折射率呈切趾形式变化,使得其出射光场由指数形式变为近高斯形式,减少了它与光纤之间由于模式不匹配而产生的耦合损耗,进而增加耦合效率。在满足MPW工艺的前提下,通过2D FDTD仿真,分别对切趾光栅耦合器的光栅未刻蚀部分k1、未刻蚀部分的增量△、周期数n以及光纤位置进行优化,最终得到k1=180nm,△=10nm,n=12的切趾光栅耦合器,耦合损耗由普通光栅耦合器的-2.8 dB,减小到了-2.71dB。2.提出了增加光栅耦合器工作带宽的啁啾光栅耦合器结构。通过设计光栅耦合器的周期呈啁啾形式变化。如果将每一个小周期看作为独立的单元,那么对于每一个小周期来说,它们有着各自的中心波长,而由这些小周期的透射谱的包络组成的整个啁啾光栅耦合器的透射谱将会被展宽,即工作带宽增加。在满足MPW工艺的前提下,通过2D FDTD仿真,分别对啁啾光栅耦合器的初始周期AQ、啁啾量△c进行优化,最终得到两组比较好的2D结果(相比于普通标准光栅ldB带宽为47nm,3dB带宽为81nm)。一组为A0=605 nm,Ac=8nm,其ldB带宽为64nm,3dB带宽为123nm,耦合损耗为-4.01dB;另一组为Ao=605 nm,△c=12nm的啁啾光栅耦合器,其1dB带宽为78nm,3dB带宽为130nm,耦合损耗为-5.05dB。可以根据不同的实际情况,选择不同的啁啾光栅耦合器。3.光栅耦合器的制作与测试。使用3D FDTD对上述切趾光栅耦合器和啁啾光栅耦合器进行验证和优化。最终,切趾光栅耦合器耦合损耗由普通光栅耦合器的-4.14dB,减小到了-3.3dB;啁啾光栅耦合器相对于标准光栅耦合器,ldB带宽提高了 26nm,3dB的带宽提高了50nm。在满足MPW的前提下,将3D仿真结构导出画成版图,并送到代工厂加工,最后使用实验室的垂直耦合平台完成了对标准光栅耦合器的测试。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792
【图文】：
逑年，Ａｌｅｊａｎｄｒｏ等人提出一种新型的零级光栅楩合器，中心波长为１．５５ｎｍ，入射逡逑光为准ＴＥ偏振光，耦合效率为９１％（－０．４１ｄＢ），ｌｄＢ带宽为１２６ｎｍ［４（）］，如图１－逡逑２所示。我们可以看到这个光栅耦合器的结构比较复杂，工艺方面很难实现，并逡逑且不利于商业化，但是它从科研方面给予了借鉴的意义，该光栅耦合器的各方面逡逑性能都比较好。同年，Ｈｓｉｎ－ＬｕｎＴｓｅｎｇ等人在光栅耦合器的末端加入了光栅反射逡逑结构［４１１，使得特定波长的光能够重新返回光栅，再耦合到光纤中，它的中心波长逡逑为１３１０ｎｍ，耦合损耗为－１．４６ｄＢ，３ｄＢ带宽为２０ｎｍ，背向反射为－２４ｄＢ。逡逑Ａｃｃｅｓｓ邋ｔａｐｅｒ邋（ｆｏｐ邋ｖｉｅｗ）逦／逡逑＾■ｔａｐｏｆ．１邋Ｕａｐｃｒ．２逦！《？》逦／逡逑二ｒｐ（ｉｎｎｎｒ［ｎｎｎｎｎｎ邋|!逡逑３＾ｍ逦４－逦Ｕ．．．．．Ｉ－逦逡逑￥．－逦－—逦逦逡逑图１－２零阶光栅耦合器结构图Ｍ
逑年，Ａｌｅｊａｎｄｒｏ等人提出一种新型的零级光栅楩合器，中心波长为１．５５ｎｍ，入射逡逑光为准ＴＥ偏振光，耦合效率为９１％（－０．４１ｄＢ），ｌｄＢ带宽为１２６ｎｍ［４（）］，如图１－逡逑２所示。我们可以看到这个光栅耦合器的结构比较复杂，工艺方面很难实现，并逡逑且不利于商业化，但是它从科研方面给予了借鉴的意义，该光栅耦合器的各方面逡逑性能都比较好。同年，Ｈｓｉｎ－ＬｕｎＴｓｅｎｇ等人在光栅耦合器的末端加入了光栅反射逡逑结构［４１１，使得特定波长的光能够重新返回光栅，再耦合到光纤中，它的中心波长逡逑为１３１０ｎｍ，耦合损耗为－１．４６ｄＢ，３ｄＢ带宽为２０ｎｍ，背向反射为－２４ｄＢ。逡逑Ａｃｃｅｓｓ邋ｔａｐｅｒ邋（ｆｏｐ邋ｖｉｅｗ）逦／逡逑＾■ｔａｐｏｆ．１邋Ｕａｐｃｒ．２逦！《？》逦／逡逑二ｒｐ（ｉｎｎｎｒ［ｎｎｎｎｎｎ邋|!逡逑３＾ｍ逦４－逦Ｕ．．．．．Ｉ－逦逡逑￥．－逦－—逦逦逡逑图１－２零阶光栅耦合器结构图Ｍ
合器的认识不断加深，它的研究取得了一些比较好的成果。２００７年，Ｇｔｉｎｔｈｅｒ逡逑Ｒｏｅｌｋｅｎｓ等人提出了两步刻蚀光栅的方法，一部分是正常的光栅刻蚀，另一部分逡逑是在光栅的前端刻蚀一个凹槽［４７］，如图１－４所示，与正常的光栅相比，它的前端逡逑波导部分有一个凹槽，凹槽的作用是将有效地二阶衍射的光再次反射回光栅，减逡逑小了二阶反射对耦合效率的影响，使得在１．５５叫ｎ处的光的耦合效率达到８０％。逡逑但是为了使被狭缝反射的光与输出光干涉相消，这就需要非常高的工艺精度，使逡逑得凹槽的位置与光栅的位置之间的距离使我们期望的。逡逑／邋，ｄ．．邋Ａ邋＼逡逑／邋二邋ｊ￣ｆｌ逦Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ邋／邋ＨＮＡ邋Ｆｉｂｅｒ逡逑逦ｎ逡逑、、NB’逦Ｘ＾Ｌ逡逑Ｅｘｔｒａ邋ｓｌｉｔＡ逡逑——逡逑２２０邋ｎｍ邋Ｓｉ邋ＷＧ邋一逦逦逡逑Ｏｘｉｄｅ邋ｂｕｆｆｅｒ邋ｌａｙｅｒ逡逑Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑图１－４带凹槽的光栅耦合器［４７１逡逑同年，华中科学技术大学的冯俊波等人提出了一种基于二元闪耀光栅的偏振逡逑分束耦合器，它包括两层二元闪耀光栅耦合器，其光栅耦合长度小于１４＾ｍ，在逡逑１５５０ｎｍ波长的入射光条件下，上层光栅对ＴＥ波的z1合效率为５８％
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792
【图文】：
逑年，Ａｌｅｊａｎｄｒｏ等人提出一种新型的零级光栅楩合器，中心波长为１．５５ｎｍ，入射逡逑光为准ＴＥ偏振光，耦合效率为９１％（－０．４１ｄＢ），ｌｄＢ带宽为１２６ｎｍ［４（）］，如图１－逡逑２所示。我们可以看到这个光栅耦合器的结构比较复杂，工艺方面很难实现，并逡逑且不利于商业化，但是它从科研方面给予了借鉴的意义，该光栅耦合器的各方面逡逑性能都比较好。同年，Ｈｓｉｎ－ＬｕｎＴｓｅｎｇ等人在光栅耦合器的末端加入了光栅反射逡逑结构［４１１，使得特定波长的光能够重新返回光栅，再耦合到光纤中，它的中心波长逡逑为１３１０ｎｍ，耦合损耗为－１．４６ｄＢ，３ｄＢ带宽为２０ｎｍ，背向反射为－２４ｄＢ。逡逑Ａｃｃｅｓｓ邋ｔａｐｅｒ邋（ｆｏｐ邋ｖｉｅｗ）逦／逡逑＾■ｔａｐｏｆ．１邋Ｕａｐｃｒ．２逦！《？》逦／逡逑二ｒｐ（ｉｎｎｎｒ［ｎｎｎｎｎｎ邋|!逡逑３＾ｍ逦４－逦Ｕ．．．．．Ｉ－逦逡逑￥．－逦－—逦逦逡逑图１－２零阶光栅耦合器结构图Ｍ
逑年，Ａｌｅｊａｎｄｒｏ等人提出一种新型的零级光栅楩合器，中心波长为１．５５ｎｍ，入射逡逑光为准ＴＥ偏振光，耦合效率为９１％（－０．４１ｄＢ），ｌｄＢ带宽为１２６ｎｍ［４（）］，如图１－逡逑２所示。我们可以看到这个光栅耦合器的结构比较复杂，工艺方面很难实现，并逡逑且不利于商业化，但是它从科研方面给予了借鉴的意义，该光栅耦合器的各方面逡逑性能都比较好。同年，Ｈｓｉｎ－ＬｕｎＴｓｅｎｇ等人在光栅耦合器的末端加入了光栅反射逡逑结构［４１１，使得特定波长的光能够重新返回光栅，再耦合到光纤中，它的中心波长逡逑为１３１０ｎｍ，耦合损耗为－１．４６ｄＢ，３ｄＢ带宽为２０ｎｍ，背向反射为－２４ｄＢ。逡逑Ａｃｃｅｓｓ邋ｔａｐｅｒ邋（ｆｏｐ邋ｖｉｅｗ）逦／逡逑＾■ｔａｐｏｆ．１邋Ｕａｐｃｒ．２逦！《？》逦／逡逑二ｒｐ（ｉｎｎｎｒ［ｎｎｎｎｎｎ邋|!逡逑３＾ｍ逦４－逦Ｕ．．．．．Ｉ－逦逡逑￥．－逦－—逦逦逡逑图１－２零阶光栅耦合器结构图Ｍ
合器的认识不断加深，它的研究取得了一些比较好的成果。２００７年，Ｇｔｉｎｔｈｅｒ逡逑Ｒｏｅｌｋｅｎｓ等人提出了两步刻蚀光栅的方法，一部分是正常的光栅刻蚀，另一部分逡逑是在光栅的前端刻蚀一个凹槽［４７］，如图１－４所示，与正常的光栅相比，它的前端逡逑波导部分有一个凹槽，凹槽的作用是将有效地二阶衍射的光再次反射回光栅，减逡逑小了二阶反射对耦合效率的影响，使得在１．５５叫ｎ处的光的耦合效率达到８０％。逡逑但是为了使被狭缝反射的光与输出光干涉相消，这就需要非常高的工艺精度，使逡逑得凹槽的位置与光栅的位置之间的距离使我们期望的。逡逑／邋，ｄ．．邋Ａ邋＼逡逑／邋二邋ｊ￣ｆｌ逦Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ邋／邋ＨＮＡ邋Ｆｉｂｅｒ逡逑逦ｎ逡逑、、NB’逦Ｘ＾Ｌ逡逑Ｅｘｔｒａ邋ｓｌｉｔＡ逡逑——逡逑２２０邋ｎｍ邋Ｓｉ邋ＷＧ邋一逦逦逡逑Ｏｘｉｄｅ邋ｂｕｆｆｅｒ邋ｌａｙｅｒ逡逑Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑图１－４带凹槽的光栅耦合器［４７１逡逑同年，华中科学技术大学的冯俊波等人提出了一种基于二元闪耀光栅的偏振逡逑分束耦合器，它包括两层二元闪耀光栅耦合器，其光栅耦合长度小于１４＾ｍ，在逡逑１５５０ｎｍ波长的入射光条件下，上层光栅对ＴＥ波的z1合效率为５８％
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本文编号：2794383
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