用于片上光互连的可重构模式处理器件的研究
发布时间：2021-01-12 03:59
人们对高速大容量信息处理技术的强烈需求促使片上光学复用技术迅速发展。在众多光学复用技术中,模式复用技术因其能较低成本、较大规模地集成各种模式处理器件到光网络中以数倍提升通信容量而广受关注。为了进一步满足多功能化、灵活化和智能化的高速大容量光网络应用需求,研究新型可重构的模式处理器件显得尤其重要。本文从这一重大需求出发,从模式的产生、复用以及交换三个角度设计并验证了几种关键的可重构模式处理器件,包括可重构模式转换器、可重构模式复用器和可重构模式交换器。作为基本结构单元,光波导是所有集成光学器件的基础,因此本文首先对光波导的相关理论进行了介绍,在此基础上探讨了耦合模理论与相位匹配条件,并研究了设计器件时需要用到的微环谐振器和多模干涉耦合器的理论模型。在模式产生方面,针对目前大部分模式转换器只能实现固定的模式转换问题,本文提出并验证了两种能选择性输出特定模式的可重构模式转换器。其一是基于级联多模干涉耦合器设计的能在基模和一阶模之间选择性输出一个或两个模式的器件,对该器件进行模拟仿真的结果表明,该器件在TE0模输出、TE1模输出、TE0
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界上第一块集成电路
并正如火如荼地发展。片上光互连技术的实现方式主要集中在两种衬底材料上，一种是 III-V 族衬底如铟磷（InP）或砷化镓（GaAs）等，另一种是 IV 族材料如绝缘衬底上硅（SOI:Silicon-on-Insulator）等。InP 和 GaAs 的研究起步较早，目前技术相对成熟，但其生长成本比较高。其次，由于 InP 基波导器件的芯层和包层折射率差较小，很难做到非常小的波导弯曲，进而器件整体尺寸较大，不利于大规模集成。SOI 材料得益于硅作为地球上含量第二多的元素，其成本较为低廉，且 SOI 器件的制作与现有成熟的 CMOS 工艺兼容，波导的芯层和包层折射率差较大，使得器件尺寸较小，能够实现大规模片上集成，因此，基于硅基光子学的 SOI 器件是未来片上光互连与信息处理的主要发展方向[10-13]。1985 年，美国麻省大学波士顿分校（University of Massachusetts Boston）的理查德·索勒夫（Richard Soref）首次提出并验证了全单晶硅波导可以用来作为通信波段的导波材料[14]。相比于 III-V 族材料（如 InP），SOI 波导的传输损耗至少要小一个量级[11]。为了实现高速率、大容量、低延迟、低损耗以及芯片尺度的
1.2.1 硅基片上激光器硅的价带顶与导带底在 k 空间不同位置处，是间接带隙半导体，其内量子效率 约为 10-5~10-6。硅的价带上的电子不能直接跃迁到导带上，需要间接跃迁。由于间接跃迁过程中除了发射光子外还需要声子的参与，因此，相对来说间接跃迁的概率比直接跃迁小很多，故硅的发光效率比较低，长期以来很难直接利用硅来实现片上激光器。2005 年，美国布朗大学（Brown University）的科学家通过在硅上周期性地刻蚀一些直径为 110 nm 的纳米孔阵列结构形成缺陷中心，从而实现了光的受激发射和光增益[19]。这种方式的缺点是只有在温度低于 80K 时才能起作用。同年，英特尔公司（Intel）的科学家在《Nature》杂志连续发表两篇文章报道了一种纯硅的拉曼激光器[20-21]。该激光器结构如图 1.3（a）所示，其原理是通过输入一束功率密度很高的泵浦光到施加反向偏压的 PIN 型硅波导中，使泵浦光与硅原子发生拉曼散射，泵浦光的高能量将被硅吸收后，硅原子发生振转能级跃迁，并将泵浦光转换为满足拉曼谐振频率的斯托克斯波长光，之后再通
【参考文献】：
博士论文
[1]硅基微环谐振器（MRR）的传输特性研究及应用[D]. 吴小所.兰州大学 2017
本文编号：2972104
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界上第一块集成电路
并正如火如荼地发展。片上光互连技术的实现方式主要集中在两种衬底材料上，一种是 III-V 族衬底如铟磷（InP）或砷化镓（GaAs）等，另一种是 IV 族材料如绝缘衬底上硅（SOI:Silicon-on-Insulator）等。InP 和 GaAs 的研究起步较早，目前技术相对成熟，但其生长成本比较高。其次，由于 InP 基波导器件的芯层和包层折射率差较小，很难做到非常小的波导弯曲，进而器件整体尺寸较大，不利于大规模集成。SOI 材料得益于硅作为地球上含量第二多的元素，其成本较为低廉，且 SOI 器件的制作与现有成熟的 CMOS 工艺兼容，波导的芯层和包层折射率差较大，使得器件尺寸较小，能够实现大规模片上集成，因此，基于硅基光子学的 SOI 器件是未来片上光互连与信息处理的主要发展方向[10-13]。1985 年，美国麻省大学波士顿分校（University of Massachusetts Boston）的理查德·索勒夫（Richard Soref）首次提出并验证了全单晶硅波导可以用来作为通信波段的导波材料[14]。相比于 III-V 族材料（如 InP），SOI 波导的传输损耗至少要小一个量级[11]。为了实现高速率、大容量、低延迟、低损耗以及芯片尺度的
1.2.1 硅基片上激光器硅的价带顶与导带底在 k 空间不同位置处，是间接带隙半导体，其内量子效率 约为 10-5~10-6。硅的价带上的电子不能直接跃迁到导带上，需要间接跃迁。由于间接跃迁过程中除了发射光子外还需要声子的参与，因此，相对来说间接跃迁的概率比直接跃迁小很多，故硅的发光效率比较低，长期以来很难直接利用硅来实现片上激光器。2005 年，美国布朗大学（Brown University）的科学家通过在硅上周期性地刻蚀一些直径为 110 nm 的纳米孔阵列结构形成缺陷中心，从而实现了光的受激发射和光增益[19]。这种方式的缺点是只有在温度低于 80K 时才能起作用。同年，英特尔公司（Intel）的科学家在《Nature》杂志连续发表两篇文章报道了一种纯硅的拉曼激光器[20-21]。该激光器结构如图 1.3（a）所示，其原理是通过输入一束功率密度很高的泵浦光到施加反向偏压的 PIN 型硅波导中，使泵浦光与硅原子发生拉曼散射，泵浦光的高能量将被硅吸收后，硅原子发生振转能级跃迁，并将泵浦光转换为满足拉曼谐振频率的斯托克斯波长光，之后再通
【参考文献】：
博士论文
[1]硅基微环谐振器（MRR）的传输特性研究及应用[D]. 吴小所.兰州大学 2017
本文编号：2972104
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2972104.html
