基于SOI波导结构的偏振控制器的设计优化研究

发布时间：2017-07-08 05:11

  本文关键词：基于SOI波导结构的偏振控制器的设计优化研究

  更多相关文章： 硅基光子学 光栅耦合器 绝热渐变波导 偏振旋转器 粒子群算法

【摘要】：在硅基光子集成芯片应用中,从光纤耦合进光子回路的信号光通常具有随机的偏振态,而硅基光波导和其他基础器件呈现出很强的偏振敏感性,极大的限制了硅基光子集成芯片的应用领域。消除硅基集成光子器件的偏振敏感性对于其商业化应用具有至关重要的意义,因此集成偏振控制器件作为解决硅基光子集成芯片偏振相关问题的重要器件,在近几年得到了广泛的研究。本研究的主要目的是设计并优化基于绝缘体上硅晶元的片上偏振旋转器,主要包括耦合部分和偏振转化部分。耦合部分包括光栅耦合器和绝热渐变波导,负责将光从光纤耦合进波导;偏振转化部分为偏振旋转器,主要实现TE模和TM模之间的相互转化。为了高效的优化出高性能器件,本研究创新性的采用了粒子群算法对器件参数进行优化,并取得了良好的效果。本研究的主要创新工作包括:1.采用粒子群算法对双刻蚀非均匀光栅耦合器的参数进行全面的优化,优化后的光栅具有高耦合效率。在1550nm波长处,耦合效率达75.5%,对应的损耗仅有1.2d B,1d B带宽能够覆盖C波段。器件制作工艺与CMOS工艺兼容,制作简单。2.提出了贝塞尔曲线型的绝热渐变波导。该波导用于连接两段宽度分别为12μm和0.5μm的波导。通过粒子群算法的优化,该绝热渐变波导长度只有50um,在1540nm-1600nm的波长范围内透射率均在98%以上。其长度远短于其他曲线型的绝热渐变波导。3.首次提出了一种新型表面等离子激元辅助型偏振旋转器结构。该偏振旋转器长度仅有2.56μm;在整个C波段,消光比大于26d B,损耗小于0.75d B。据我们所知,该器件的损耗在所有同类型器件中是最小的。4.优化了基于模式耦合原理的偏振旋转器。该器件具有高带宽和超低损耗的特性。优化后的器件的消光比最高达到32.3d B;在1550nm波长处消光比为26.3d B,损耗为0.006d B;在1400nm~1700nm范围内,消光比都大于17d B,损耗小于0.1d B。
【关键词】：硅基光子学 光栅耦合器 绝热渐变波导 偏振旋转器 粒子群算法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN256
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 硅基光子学的发展11-12
• 1.2 偏振旋转器及其在光子集成芯片中的应用12-17
• 1.3 粒子群算法及其在硅基光子器件设计中的应用17-18
• 1.4 本研究主要工作18-21
• 第2章 模式理论、时域有限差分法与粒子群算法21-38
• 2.1 光波导中的模式理论21-31
• 2.1.1 平板波导21-25
• 2.1.2 条形波导25-31
• 2.2 时域有限差分方法（ FDTD）31-35
• 2.3 粒子群优化算法基本原理35-38
• 第3章 偏振旋转器组成及对耦合器件的优化38-54
• 3.1 片上偏振旋转器件的组成及相关核心器件38-39
• 3.2 粒子群算法在优化非均匀光栅中的应用39-47
• 3.2.1 光栅耦合器的理论分析40-42
• 3.2.2 非均匀光栅耦合器的设计和优化42-47
• 3.3 粒子群算法在优化绝热渐变波导中的应用47-54
• 3.3.1 贝塞尔曲线型绝热渐变波导47-48
• 3.3.2 贝塞尔曲线型绝热渐变波导的优化48-54
• 第4章 偏振旋转器的设计与优化54-72
• 4.1 基于耦合的偏振旋转器工作原理54-56
• 4.2 表面等离子辅助的超短、低损耗偏振旋转器56-63
• 4.3 基于模式演化原理的高性能偏振旋转器的设计和优化63-72
• 4.3.1 模式演化型偏振旋转器的工作原理63-65
• 4.3.2 高性能模式演化型偏振旋转器的设计65-72
• 结论72-74
• 参考文献74-79
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单79-80
• 致谢80-81

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