用于光互连的基于硅纳米线波导的阵列波导光栅的研究

发布时间：2017-05-26 15:11

  本文关键词：用于光互连的基于硅纳米线波导的阵列波导光栅的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着信息处理容量和处理速度的爆炸式增加,高性能计算机和高端服务器得到了飞速发展,CPU的级联个数和它们之间的数据传输带宽逐年增加。在不久的将来,CPU之间的数据互连带宽将达到Tbit/s的量级,然而基于金属传导的电互连技术在尺寸和功耗方面都不可能实现该需求,面临着不可逾越的“电子瓶颈”。基于硅光子学的光互连技术以光子为信息载体,不仅具有超高带宽、超快传输速率、抗电磁干扰和低能耗等优势,还使得超紧凑、高集成度的光子器件成为可能。具有波分复用功能的光子器件由于在单根光波导中能同时实现多个波长的多路信号传输,是硅光子学光互连系统中非常重要的元件单元。本论文将主要研究基于硅纳米线波导的波分复用器件：阵列波导光栅(AWG)。首先介绍了硅纳米线波导中光传输的基本性质以及其制作工艺流程。由于硅芯层(nsi=3.48@1550nnm)和二氧化硅(nsio2=1.45)包层之间的高折射率差,使得光场被强限制在波导中,光在波导中传输的弯曲半径可以小到5μm,大大降低了基于硅纳米线波导的器件的尺寸,为高密度的光子集成提供了可能。但是,正是这种高折射率差的波导结构,使得硅纳米线波导对工艺误差引起的侧壁粗糙非常敏感,并具有非常大的偏振相关性和温度相关性。接着介绍了基于硅纳米线波导的AWG的基本性质,给出了其分别做为路由器和复用/解复用器时的设计步骤以及如何利用半解析的形式来快速实现它的仿真,并分析了硅纳米线AWG中损耗和串扰的主要来源。结合蚀刻衍射光栅和传统AWG的结构布局,并考虑到硅纳米线波导本身的特质,提出了一种解决基于硅纳米线波导的AWG的偏振相关性问题的方法。重点介绍了该方法的原理和使用的结构,并给出了该方法在细波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)应用下的设计步骤和仿真结果。实验验证了一个面向CWDDM光互连应用的偏振补偿的硅纳米线AWG,它具有5个通道且相邻通道间距为20nm,测试得到它的最大偏振相关波长偏移(PDλ)从理论分析的380-420 nm减小到了0.5-3.5 nm,相比于各通道的3dB带宽值(约为12nm)较小。利用越级衍射的设计原理,我们在SOI平台上实现了具有尺寸大小仅为0.18×0.12mm2的AWG单纤三向复用器((triplexer)。初期的实验结果显示,该AWG triplexer具有非常大的偏振相关性。利用本文提出的偏振补偿方法和AWG triplexer在无源光网络中的应用环境,我们设计了一个适用于光网络单元的偏振补偿AWG triplexer,实验显示它在149nm和1550nm通道的PDλ小于2.5 nm,对于ONU单元应用来说,该值已经非常小。虽然1310nm通道的PDλ很大,但它可以通过混合集成技术或者是保偏光纤来实现和激光器的连接。最后我们研究了利用马鞍形结构的阵列波导布局并结合单模波导和多模波导的混合组成方式来提高硅纳米线AWG的性能,实验验证了一个8×400G的马鞍形结构AWG,它的串扰优于-18dB。同时,基于马鞍形结构的设计以及结合具有高反射率的布拉格反射器(DBR),我们设计了基于硅纳米线波导的具有超紧凑尺寸的反射式AWG,实验验证了6×400G和20×200G的。
【关键词】：光互连 硅光子学 波分复用 纳米线波导 阵列波导光栅 双折射 偏振相关波长漂移 单纤三向复用器 布拉格反射器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 绪论13-27
• 1.1 光子学及光互连的发展13-17
• 1.2 硅光子学17-22
• 1.2.1 各公司关于硅光子学光互连的研究进展18-22
• 1.3 波分复用(WDM)22
• 1.4 硅纳米线AWG22-24
• 1.5 本论文的主要研究内容和创新点24-27
• 1.5.1 本论文的章节安排24-25
• 1.5.2 本论文的主要创新点25-27
• 2. 基于绝缘体上硅材料的硅纳米线光波导27-50
• 2.1 绝缘体上的硅材料27-30
• 2.1.1 硅纳米线波导的引入27-28
• 2.1.2 为何选择高折射率差波导结构?28-30
• 2.2 硅纳米线波导的基本特性及光传输30-47
• 2.2.1 硅纳米线波导的仿真30-32
• 2.2.2 硅纳米线平板波导32-34
• 2.2.3 硅纳米线条形波导34-37
• 2.2.4 模场限制37-39
• 2.2.5 模场耦合39-40
• 2.2.6 光传输损耗40-43
• 2.2.7 弯曲损耗43
• 2.2.8 尺寸敏感性43-46
• 2.2.9 偏振相关性46
• 2.2.10 温度相关性46-47
• 2.3 硅纳米线波导的测试方法47-49
• 2.3.1 端面耦合48
• 2.3.2 垂直耦合48-49
• 2.4 小结49-50
• 3 硅纳米线光波导的制作工艺50-59
• 3.1 主要使用设备介绍50-53
• 3.1.1 电子束光刻设备50-51
• 3.1.2 干法刻蚀设备51-52
• 3.1.3 薄膜沉积设备52-53
• 3.2 纳米线光波导的工艺流程53-56
• 3.3 制作的纳米线波导及结构56
• 3.4 小结56-59
• 4 阵列波导光栅的基本理论、设计与仿真59-87
• 4.1 光学相移阵列59-66
• 4.1.1 衍射理论59-60
• 4.1.2 干涉理论60-63
• 4.1.3 相移阵列的远场衍射63-66
• 4.2 阵列波导光栅的基本参数66-75
• 4.2.1 基本设计参数67-71
• 4.2.2 性能表征参数71-75
• 4.3 阵列波导光栅的设计75-77
• 4.3.1 路由器的设计75-77
• 4.3.2 复用器/解复用器的设计77
• 4.4 阵列波导光栅的版图设计77-79
• 4.4.1 三段式波导结构77-78
• 4.4.2 马鞍形结构78-79
• 4.5 阵列波导光栅的仿真79-86
• 4.5.1 波导模场80-81
• 4.5.2 星型耦合器中的光传输模型81-84
• 4.5.3 阵列波导中的光传输模型84-85
• 4.5.4 仿真结果85-86
• 4.6 小结86-87
• 5 基于硅纳米线波导的偏振不敏感阵列波导光栅87-107
• 5.1 国内外研究现状介绍87-92
• 5.2 偏振不敏感的阵列波导光栅的原理及设计92-101
• 5.2.1 原理分析92-95
• 5.2.2 版图布局95-97
• 5.2.3 设计实例与仿真97-101
• 5.3 偏振不敏感的阵列波导光栅的实验验证101-106
• 5.4 小结106-107
• 6 基于硅纳米线AWG的偏振补偿的单纤三向复用器107-124
• 6.1 国内外研究现状107-110
• 6.2 triplexer在硅纳米线AWG上的设计与实现110-116
• 6.2.1 越级衍射的基本原理及设计110-112
• 6.2.2 芯片的制作与测试112-116
• 6.3 偏振补偿的AWG单纤三向复用器116-122
• 6.3.1 理论设计116-119
• 6.3.2 芯片制作与测试119-122
• 6.4 小结122-124
• 7 改进型阵列波导光栅124-137
• 7.1 马鞍形结构设计AWG的原理及实验验证124-131
• 7.1.1 马鞍形结构设计AWG的发展历程124-126
• 7.1.2 理论分析及设计126-130
• 7.1.3 芯片制作与测试130-131
• 7.2 反射式阵列波导光栅131-135
• 7.2.1 反射结构的设计及版图布局132-135
• 7.2.2 芯片制作与测试135
• 7.3 小结135-137
• 8 总结与展望137-139
• 参考文献139-150
• 作者简介150-151

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 周勤存;硅基二氧化硅阵列波导光栅波分复用器件的研究制作[D];浙江大学;2004年

  本文关键词：用于光互连的基于硅纳米线波导的阵列波导光栅的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：397214