玻璃基模斑转换器的研究
发布时间：2022-01-14 00:38
由于光纤与SOI（Silicon-on-insulator）波导之间存在巨大的模场失配,二者直接进行端面耦合时的损耗非常高,需要通过模斑转换器（SSC,Spot Size Converters）来减小模场失配,从而降低耦合损耗。迄今研究者们提出了各种结构的硅基模斑转换器,包括:三维锥形模斑转换器、双层锥形模斑转换器、倒锥形模斑转换器和梯度折射率透镜型模斑转换器等,并且在离子交换玻璃基模斑转换器方面也进行了一些研究。玻璃基模斑转换器采用玻璃基离子交换光波导技术制作,具有工艺简单、成本低的独特优势。本论文针对玻璃基模斑转换器进行研究,主要内容如下:1.玻璃基离子交换过程的模拟:从通用的扩散方程出发,采用时域有限差分法（FDTD,Finite Difference Time Domain Method）对热离子交换、反交换和电场辅助离子迁移过程进行了模拟,求解波导的离子浓度分布和折射率分布,并采用RSoft仿真了离子交换窗口宽度和扩散深度对波导模场尺寸的影响。2.玻璃基表面型模斑转换器的设计、制备及表征:通过玻璃基离子交换光波导技术,设计和制备了不同尺寸的玻璃基表面型模斑转换器。测试结果显示...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单模光纤和单模SOI波导的模场分布图（a）单模光纤，（b）单模SOI波导
浙江大学硕士学位论文第1章绪论2目前主要的光纤与SOI波导耦合技术包括光栅耦合和端面耦合，其中光栅耦合易于封装测试，但工作带宽较孝偏振敏感；而端面耦合的耦合效率更高、工作带宽大、偏振依赖性小，但往往制备困难、工艺容差孝准直要求高、测试和封装难度大[2,3]。1.2.1光栅耦合光栅耦合易于封装测试，是目前比较常用的光纤-SOI波导耦合技术。如图1.2所示，当光从光纤以垂直或接近垂直的方式入射到光栅耦合器表面时，由于布拉格衍射效应，衍射光在垂直于光栅的方向上发生相互干涉而增强，从而使得一部分光沿着光栅耦合器进入旁边的光波导[3]。如图1.2（a）所示，如果光栅与波导是完全垂直的，设光纤的输入光功率为，与光栅耦合之后向右侧传输的光功率为，向左侧传输的光功率为′，反射的光功率为，透射光功率为，忽略其他损耗，则：=+′++(1-1)由于完全垂直结构的对称性，有=′≤/2，也就是说对于这种完全垂直的对称型光栅耦合器，单侧耦合效率的理论极限是低于50%的。为了提高光栅耦合器的耦合效率，必须要打破这种对称性。通常的做法是使得输入光栅倾斜一定的角度，如图1.2（b）所示，由DirkTaillaert等人设计了一种倾斜入射的光栅耦合器，倾斜角度为8°，耦合效率可以突破50%的限制[2,4,5]。图1.2光栅耦合（a）对称光栅垂直耦合示意图，（b）对称光栅倾斜输入耦合示意图[2]光栅耦合的最基本理论是布拉格条件[2,6]。光栅的布拉格条件描述了光栅的入射光的波矢、各衍射级波矢和光栅矢量三者之间的关系[2]。由布拉格条件可以导出光栅耦合的相位匹配条件：
浙江大学硕士学位论文第1章绪论4基模斑转换器。（1）三维锥形模斑转换器[18-25]模斑转换的最直接和最自然的方法是采用锥形结构来实现模场的平滑转变。为了获得更高的耦合效率，要求锥形结构在宽度和厚度方向上缓慢变化，即要满足绝热条件[26,27]，以保证模场平滑过渡，降低损耗。如图1.3所示，三维锥形模斑转换器结构简单，但需要足够的长度方能获得较高的耦合效率。此外，由于光纤芯部的折射率与硅波导的折射率相差较大，为了减小反射，往往需要在端面上镀一层抗反射层。但最为关键的问题是，三维锥形模斑转换厚度方向的锥形结构与CMOS工艺的兼容性差，通常需要采用“灰度光刻”等技术。“灰度光刻”不仅成本高，而且不易控制，还需要与传统光刻进行套刻，工艺难度较高。另外利用湿法刻蚀也能制备厚度方向上的锥形结构，因为硅材料的各个晶向在某些特定溶液中的腐蚀速率不同，刻蚀后可以得到特定角度的倾斜面。但这种湿法刻蚀的方法也存在一些问题：首先，只能获得某些特定的角度，无法满足不同锥形的需求；其次，还存在难以控制刻蚀速率和刻蚀表面粗糙度的问题。图1.3三维锥形模斑转换器[19]（2）双层锥形模斑转换器[28-32]为了解决三维锥形模斑转换器中厚度方向上锥形结构的工艺难题，科学家们提出了双层锥形模斑转换器。如图1.4（a）所示，双层锥形模斑转换器利用上下两层宽度方向上的锥形结构来实现模场尺寸在宽度和厚度两个方向上的转换，随
【参考文献】：
期刊论文
[1]K-Na离子交换单模平面波导的制备及其表征[J]. 鲁庆,夏洪运,郑杰. 光子学报. 2011(12)
[2]低损耗离子交换玻璃基光波导制备与分析[J]. 郝寅雷,郑伟伟,江舒杭,谷金辉,孙一翎,杨建义,李锡华,周强,江晓清,王明华. 无机材料学报. 2009(05)
[3]离子交换单模玻璃平面波导折射率分布的确定[J]. 邱枫,高艳君,贾凌华,提运强,郑杰. 光电子.激光. 2008(09)
[4]闪耀光栅原理及其应用[J]. 张发国,喻洪麟. 重庆文理学院学报(自然科学版). 2008(01)
博士论文
[1]硅基光子集成的基础功能器件研究[D]. 王根成.浙江大学 2018
[2]硅基多模波导光栅滤波器的研究[D]. 姜建飞.浙江大学 2018
[3]石墨烯辅助玻璃基集成光学器件的研究[D]. 裴重阳.浙江大学 2015
[4]玻璃基离子交换工艺及波导器件的研究[D]. 郑伟伟.浙江大学 2011
[5]硅基微纳光栅耦合器件及其制备技术研究[D]. 冯俊波.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]改进型离子掩膜技术制作的玻璃基光波导研究[D]. 冯泽明.浙江大学 2017
[2]玻璃基双层掩埋式光波导的制备与表征[D]. 郑斌.浙江大学 2012
[3]Ag-Na离子交换单模平面波导折射率分布及Cu离子交换波导的光致发光特性研究[D]. 邱枫.吉林大学 2008
本文编号：3587449
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单模光纤和单模SOI波导的模场分布图（a）单模光纤，（b）单模SOI波导
浙江大学硕士学位论文第1章绪论2目前主要的光纤与SOI波导耦合技术包括光栅耦合和端面耦合，其中光栅耦合易于封装测试，但工作带宽较孝偏振敏感；而端面耦合的耦合效率更高、工作带宽大、偏振依赖性小，但往往制备困难、工艺容差孝准直要求高、测试和封装难度大[2,3]。1.2.1光栅耦合光栅耦合易于封装测试，是目前比较常用的光纤-SOI波导耦合技术。如图1.2所示，当光从光纤以垂直或接近垂直的方式入射到光栅耦合器表面时，由于布拉格衍射效应，衍射光在垂直于光栅的方向上发生相互干涉而增强，从而使得一部分光沿着光栅耦合器进入旁边的光波导[3]。如图1.2（a）所示，如果光栅与波导是完全垂直的，设光纤的输入光功率为，与光栅耦合之后向右侧传输的光功率为，向左侧传输的光功率为′，反射的光功率为，透射光功率为，忽略其他损耗，则：=+′++(1-1)由于完全垂直结构的对称性，有=′≤/2，也就是说对于这种完全垂直的对称型光栅耦合器，单侧耦合效率的理论极限是低于50%的。为了提高光栅耦合器的耦合效率，必须要打破这种对称性。通常的做法是使得输入光栅倾斜一定的角度，如图1.2（b）所示，由DirkTaillaert等人设计了一种倾斜入射的光栅耦合器，倾斜角度为8°，耦合效率可以突破50%的限制[2,4,5]。图1.2光栅耦合（a）对称光栅垂直耦合示意图，（b）对称光栅倾斜输入耦合示意图[2]光栅耦合的最基本理论是布拉格条件[2,6]。光栅的布拉格条件描述了光栅的入射光的波矢、各衍射级波矢和光栅矢量三者之间的关系[2]。由布拉格条件可以导出光栅耦合的相位匹配条件：
浙江大学硕士学位论文第1章绪论4基模斑转换器。（1）三维锥形模斑转换器[18-25]模斑转换的最直接和最自然的方法是采用锥形结构来实现模场的平滑转变。为了获得更高的耦合效率，要求锥形结构在宽度和厚度方向上缓慢变化，即要满足绝热条件[26,27]，以保证模场平滑过渡，降低损耗。如图1.3所示，三维锥形模斑转换器结构简单，但需要足够的长度方能获得较高的耦合效率。此外，由于光纤芯部的折射率与硅波导的折射率相差较大，为了减小反射，往往需要在端面上镀一层抗反射层。但最为关键的问题是，三维锥形模斑转换厚度方向的锥形结构与CMOS工艺的兼容性差，通常需要采用“灰度光刻”等技术。“灰度光刻”不仅成本高，而且不易控制，还需要与传统光刻进行套刻，工艺难度较高。另外利用湿法刻蚀也能制备厚度方向上的锥形结构，因为硅材料的各个晶向在某些特定溶液中的腐蚀速率不同，刻蚀后可以得到特定角度的倾斜面。但这种湿法刻蚀的方法也存在一些问题：首先，只能获得某些特定的角度，无法满足不同锥形的需求；其次，还存在难以控制刻蚀速率和刻蚀表面粗糙度的问题。图1.3三维锥形模斑转换器[19]（2）双层锥形模斑转换器[28-32]为了解决三维锥形模斑转换器中厚度方向上锥形结构的工艺难题，科学家们提出了双层锥形模斑转换器。如图1.4（a）所示，双层锥形模斑转换器利用上下两层宽度方向上的锥形结构来实现模场尺寸在宽度和厚度两个方向上的转换，随
【参考文献】：
期刊论文
[1]K-Na离子交换单模平面波导的制备及其表征[J]. 鲁庆,夏洪运,郑杰. 光子学报. 2011(12)
[2]低损耗离子交换玻璃基光波导制备与分析[J]. 郝寅雷,郑伟伟,江舒杭,谷金辉,孙一翎,杨建义,李锡华,周强,江晓清,王明华. 无机材料学报. 2009(05)
[3]离子交换单模玻璃平面波导折射率分布的确定[J]. 邱枫,高艳君,贾凌华,提运强,郑杰. 光电子.激光. 2008(09)
[4]闪耀光栅原理及其应用[J]. 张发国,喻洪麟. 重庆文理学院学报(自然科学版). 2008(01)
博士论文
[1]硅基光子集成的基础功能器件研究[D]. 王根成.浙江大学 2018
[2]硅基多模波导光栅滤波器的研究[D]. 姜建飞.浙江大学 2018
[3]石墨烯辅助玻璃基集成光学器件的研究[D]. 裴重阳.浙江大学 2015
[4]玻璃基离子交换工艺及波导器件的研究[D]. 郑伟伟.浙江大学 2011
[5]硅基微纳光栅耦合器件及其制备技术研究[D]. 冯俊波.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]改进型离子掩膜技术制作的玻璃基光波导研究[D]. 冯泽明.浙江大学 2017
[2]玻璃基双层掩埋式光波导的制备与表征[D]. 郑斌.浙江大学 2012
[3]Ag-Na离子交换单模平面波导折射率分布及Cu离子交换波导的光致发光特性研究[D]. 邱枫.吉林大学 2008
本文编号：3587449
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