基于沟槽耦合器的高效紧凑矩形环谐振腔光波导器件设计与仿真

发布时间：2017-10-07 18:05

  本文关键词：基于沟槽耦合器的高效紧凑矩形环谐振腔光波导器件设计与仿真

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【摘要】：随着集成光学的快速发展,传统的光通信器件正朝着高集成度、低能耗、小型化的方向发展。微环谐振器作为集成光学器件中使用频次较高的基本结构,由于受到波导弯曲损耗对曲率半径的限制,难以进一步减小片占面积和提升集成度。因此本文基于沟槽型耦合器和90°弯曲波导的配置,提出一种高效紧凑矩形环谐振器,该结构突破了弯曲损耗对传统微环大小的限制,利用浅刻蚀、弱限制的波导可以构成腔长极小的环形腔,因而获得更大的自由频谱范围(FSR),提高片上空间利用率。对于基于微环构成的滤波器具有较大曲率半径以及窄带宽等缺陷,提出一种高效紧凑马赫-曾德尔结构结合矩形环谐振腔光滤波器。采用状态空间表示法和时域有限差分法对器件的品质因数、传输特性等参数进行了计算和仿真。状态空间表示法对比了不同的耦合系数及损耗系数对滤波特性的影响。时域有限差分法仿真得到在反射系数接近穿透系数时,呈现通带和阻带带宽不等的非对称波长交错滤波效果;在反射系数远大于穿透系数时,滤波器品质因子约3120,获得在25μm×8μm片占面积下自由光谱范围高达50.6 nm的特性。针对基于腔内折射率调制效应的微环电光调制器的高Q值和调制带宽相互制约的矛盾,且同时满足小尺寸和低能耗的设计要求,提出一种基于耦合调制方式的矩形环谐振腔电光调制器。通过建立时域动态模型对器件进行了仿真设计,得到其调制相位0.2?,静态调制深度0.96(归一化最大值为1.0),且调制带宽大于100 GHz的性能参数。该器件获得片占面积10μm×15μm的高效紧凑的尺寸,满足高度集成,低能耗,和高速调制等要求的同时,器件版图可向二维方向配置和扩展。本文结合沟槽型耦合器的基本原理与器件模型,采用状态空间法、时域离散动态模型、时域有限差分等多种仿真方法,对器件的静态、动态特性做出模拟验证。本文的设计结构为高密度、超紧凑的光子器件设计提供了一个新的方向和思路,且设计的器件可应用于片上光互连系统
【关键词】：集成光学 光波导器件 矩形环谐振腔 滤波器 调制器
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN256
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 集成光学器件10-14
• 1.2.1 集成光学器件概述10
• 1.2.2 平面光波导基本原理10-13
• 1.2.3 光波导耦合器13-14
• 1.3 微环谐振腔器件14-17
• 1.3.1 微环谐振腔原理14-15
• 1.3.2 微环谐振腔构成的波分复用器件15-16
• 1.3.3 微环谐振腔构成的调制器16-17
• 1.4 矩形环谐振腔17-18
• 1.4.1 基于沟槽耦合器的环谐振腔17-18
• 1.4.2 矩形环谐振腔器件18
• 1.5 本论文的主要内容18-19
• 第2章 矩形环谐振腔原理19-29
• 2.1 沟槽耦合器和 90°弯曲波导的理论基础19-22
• 2.1.1 受抑全内反射原理19-21
• 2.1.2 矩形谐振环腔结构21-22
• 2.2 状态空间分析法22-24
• 2.3 时域离散动态分析法24-26
• 2.4 时域有限差分仿真法26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 马赫-曾德尔干涉仪结合矩形环谐振腔光滤波器29-39
• 3.1 矩形环谐振腔滤波器结构29-30
• 3.2 滤波器状态空间分析30-34
• 3.3 滤波器时域有限差分仿真34-37
• 3.3.1 非对称交错滤波34-36
• 3.3.2 宽自由光谱范围滤波36-37
• 3.4 器件性能及分析37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 矩形环谐振腔构成的高速电光调制器39-49
• 4.1 耦合调制原理39-40
• 4.2 调制器器件结构40
• 4.3 时域离散动态模型分析40-46
• 4.3.1 器件动态模型40-42
• 4.3.2 不同分光系数条件下调制效应42-43
• 4.3.3 不同分光系条件下调制特性43-44
• 4.3.4 不同分光系数条件下调制曲线44
• 4.3.5 调制深度44-46
• 4.4 调制器时域有限差分仿真46
• 4.5 器件性能及分析46-47
• 4.6 本章小结47-49
• 第5章 总结49-53
• 5.1 基于沟槽耦合器的矩形环谐振腔性能49
• 5.2 工艺实现与器件设计中遇到的问题49-50
• 5.3 前景展望50-53
• 参考文献53-57
• 攻读学位期间发表的学术论文57-59
• 致谢59

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