硅基PLC型无源光子集成器件理论与关键技术研究

发布时间：2017-07-03 22:18

  本文关键词：硅基PLC型无源光子集成器件理论与关键技术研究

  更多相关文章： 模分复用(MDM) 光子集成光路(PIC) 平面光波光路(PLC) 隐现叠加模 光功分器 可调型光耦合器 可调MZ型滤波器 耦合结构

【摘要】：随着模分复用(MDM)技术的进展,对平面光波光路(PLC)型无源光子集成光路(PIC)器件性能的要求越来越高。硅基PIC器件以其成本低廉、与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容和稳定性高等优点占有重要地位。本文以硅上二氧化硅(SoS)和绝缘硅(SOI)无源PIC器件作为研究对象,深入分析影响器件性能的模式、传输以及关键元部件,提出、设计并研制PLC型无源PIC器件。第一章,首先综述了MDM技术研究进展,然后简要回顾了与MDM系统密切相关的PIC技术研究现状,总结了光波导分析方法研究进展,介绍了硅基光波导制备工艺和耦合技术,最后给出了全文工作目标与主要内容。第二章,发现并定义了单模脊波导中存在着另一类隐现叠加模(HS模)。采用等效折射率法(EIM)推导得出HS模的特征方程和模场分布函数。基于所建立的HS-EIM分析模型以及全矢量有限元法(FV-FEM)仿真模型分析并对比了单模SoS脊波导中HS模的特性,发现HS模是导致脊波导模间串扰、模式跳变以及突发损耗等不稳定性的主要因素,合适的激励方式可降低HS模的影响。第三章,采用EIM与FV-FEM,确定了SoS光波导单模工作条件。探究了波导入/出端口、传输段以及分路部件中HS模演化过程及其与导波模的相互作用现象,找到抑制HS模的结构与方法。提出并优化设计了线性/非线性渐变波导、双Taper型滤模器和新型正分/斜分单元,给出1×8/16/32光功分器优化设计版图。最后,探究了SoS光波导中的偏振相关问题。第四章,提出了三种SoS-PLC型模式/偏振/波长选择器件,包括基于HS模多模干涉(HS-MMI)效应的可调型耦合器、缓冲层嵌入柱体阵列型TE起偏器以及基于开放臂结构的单级/级联可调马赫-曾德(MZ)型滤波器。基于2D-FD-BPM进行了性能分析与优化设计。第五章,提出了三种硅基光子芯片与光纤耦合结构,包括三维叠加型光波导、正弦型光栅波导与阶梯光栅型反射镜结构。采用FE-BPM分析了三类结构中的光波特性,给出了优化设计结果。第六章,给出了SoS-PLC光波导工艺和PLC型无源光子器件测试方法。自主搭建了PLC型条状/单一光子器件封装测试平台。实验探究了单模脊波导中HS模式特性,验证了HS模是导致直脊单模波导模间串扰和模式跳变的起因。第七章,完成了对加工制备后的SoS-PLC型1×8/16/32光功分器的测试,获得符合国家标准的第三方检测合格报告。开展了偏振相关问题实验研究。最后,测试分析了SoS-PLC型模式/波长选择器件的性能。
【关键词】：模分复用(MDM) 光子集成光路(PIC) 平面光波光路(PLC) 隐现叠加模 光功分器 可调型光耦合器 可调MZ型滤波器 耦合结构
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN256
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 缩略词表12-14
• 第一章 绪论14-40
• 1.1 模分复用技术14-18
• 1.1.1 模式复用/解复用15-16
• 1.1.2 模式激励/转换/放大16-18
• 1.1.3 MDM中的光纤结构18
• 1.2 光子集成技术研究进展18-23
• 1.2.1 光波导材料与集成方式19-20
• 1.2.2 单片集成技术20-21
• 1.2.3 混合集成技术21-22
• 1.2.4 三维立体集成22-23
• 1.3 光波导分析方法研究现状23-26
• 1.3.1 解析法与半解析法23
• 1.3.2 数值分析方法23-25
• 1.3.2.1 FEM23-24
• 1.3.2.2 FE-BPM24-25
• 1.3.3 模式探究与抑制方法25-26
• 1.4 硅基光波导工艺技术进展26-30
• 1.4.1 硅基光波导制备工艺进展26-28
• 1.4.2 PLC型光波导耦合技术28-30
• 1.5 本论文主要研究内容30-31
• 参考文献31-40
• 第二章 脊波导隐现叠加模理论分析40-64
• 2.1 HS模EIM分析模型40-53
• 2.1.1 脊波导HS模40-50
• 2.1.1.1 TE-HS模41-45
• 2.1.1.2 TM-HS模45-50
• 2.1.2 偏移激励对HS模的影响50-53
• 2.2 HS模EIM分析与结果讨论53-58
• 2.2.1 HS模叠加特性分析53-55
• 2.2.2 HS模与积分常数的关系55-56
• 2.2.3 HS模与结构参数的关系56-58
• 2.3 HS模FEM分析与结果讨论58-61
• 2.3.1 HS_(00)模特性分析58-60
• 2.3.2 HS_(10)模特性分析60-61
• 2.4 本章小结61-62
• 参考文献62-64
• 第三章 SoS-PLC型光功分器优化设计64-86
• 3.1 PLC型光功分器结构及指标64-65
• 3.2 单模波导优化设计65-67
• 3.2.1 波导截面结构65
• 3.2.2 单模条件分析65-67
• 3.3 关键元部件中HS模分析与抑制67-79
• 3.3.1 入/出端口67-71
• 3.3.1.1 线性渐变波导68-69
• 3.3.1.2 非线性渐变波导69-71
• 3.3.2 模式滤除71-72
• 3.3.3 多级分路72-79
• 3.3.3.1 正分单元72-74
• 3.3.3.2 斜分单元74-79
• 3.4 偏振相关问题分析79-81
• 3.4.1 刻蚀角度影响分析79-80
• 3.4.2 缓冲层裂纹影响分析80-81
• 3.5 SoS-PLC型光功分器优化设计版图81-84
• 3.5.1 SoS-PLC型1×8光功分器82
• 3.5.2 SoS-PLC型1×16光功分器82
• 3.5.3 SoS-PLC型1×32光功分器82-83
• 3.5.4 SoS-PLC型光功分器版图83-84
• 3.6 本章小结84
• 参考文献84-86
• 第四章 SoS-PLC型模式/偏振/波长选择器件分析与设计86-106
• 4.1 基于模式选择效应的可调型光耦合器设计86-89
• 4.1.1 可调型光耦合器结构及原理86-87
• 4.1.2 可调型光耦合器仿真分析87-89
• 4.2 基于缓冲层嵌入柱体阵列的TE起偏器设计89-93
• 4.2.1 TE起偏器结构及制备工艺89-90
• 4.2.2 TE起偏器优化设计90-93
• 4.2.2.1 CABL-WG特性分析90-92
• 4.2.2.2 TE偏振态起偏器优化92-93
• 4.3 单级/级联可调MZ型滤波器设计93-100
• 4.3.1 单级可调MZ型滤波器设计94-98
• 4.3.1.1 单级可调MZ型滤波器结构及原理94
• 4.3.1.2 基于线性材料臂的可调MZ型滤波器仿真设计94-96
• 4.3.1.3 基于非线性材料臂的可调MZ型滤波器仿真设计96-97
• 4.3.1.4 上下臂功率差对可调MZ型滤波器的影响分析97-98
• 4.3.2 级联可调MZ型梳状滤波器设计98-100
• 4.3.2.1 级联可调MZ型梳状滤波器结构及原理98
• 4.3.2.2 级联可调MZ型梳状滤波器仿真设计98-100
• 4.4 SoS-PLC型无源光子器件晶圆版图100-103
• 4.5 本章小结103-104
• 参考文献104-106
• 第五章 硅基光子芯片耦合结构分析与设计106-120
• 5.1 三维叠加型光波导耦合结构106-110
• 5.1.1 三维叠加型光波导耦合结构及原理106-107
• 5.1.2 三维叠加型光波导耦合结构分析及设计107-110
• 5.1.2.1 模斑转换器107-108
• 5.1.2.2 凹槽型周期结构108
• 5.1.2.3 楔形光纤108-110
• 5.2 正弦型光栅耦合结构110-115
• 5.2.1 布拉格条件110-112
• 5.2.2 正弦型光栅耦合结构优化设计112-115
• 5.3 阶梯光栅型波导反射镜115-119
• 5.3.1 阶梯光栅型波导反射镜结构115-116
• 5.3.2 阶梯光栅型波导反射镜仿真分析116-117
• 5.3.3 阶梯光栅型波导反射镜制备工艺117-119
• 5.4 本章小结119
• 参考文献119-120
• 第六章 SoS-PLC型无源光子器件制备及测试技术120-132
• 6.1 SoS-PLC光波导制备工艺120-121
• 6.2 PLC型无源光子器件测试方法121-125
• 6.2.1 插入损耗121-122
• 6.2.2 方向性122-123
• 6.2.3 均匀性123
• 6.2.4 偏振相关损耗123-124
• 6.2.5 回波损耗124-125
• 6.3 PLC型光子器件耦合封装测试系统125-128
• 6.3.1 条状光子芯片阵列测试平台125-126
• 6.3.2 单一光子器件耦合封装测试平台126-127
• 6.3.3 耦合封装工艺127-128
• 6.4 SoS-PLC光波导模式特性实验研究128-130
• 6.5 本章小结130
• 参考文献130-132
• 第七章 SoS-PLC型光子芯片测试结果及分析132-148
• 7.1 PLC型光功分器测试与结果分析132-138
• 7.1.1 PLC型光功分器实验室测试结果132-137
• 7.1.2 江苏省通信产品质量技术监督站测试结果137-138
• 7.1.3 结果分析138
• 7.2 SoS-PLC型模式/波长选择光子器件测试与结果分析138-145
• 7.2.1 可调型光耦合器测试结果及分析139-142
• 7.2.1.1 锥形光纤制备139-140
• 7.2.1.2 可调型光耦合器测试结果140-142
• 7.2.2 单级/级联可调MZ型滤波器测试结果142-145
• 7.2.2.1 单级可调MZ型滤波器测试142-143
• 7.2.2.2 级联可调MZ型梳状滤波器测试143-145
• 7.3 本章小结145-146
• 参考文献146-148
• 结论及展望148-150
• 致谢150-152
• 攻读博士学位期间完成的科研成果及获奖情况152-156
• 攻读学位期间的获奖情况152
• 已发表和录用的期刊论文152
• 已发表和录用的会议论文152-153
• 已投递论文153
• 已授权发明专利153-154
• 已申请发明专利154-156
• 攻读博士学位期间参加研究的项目156-158
• 附录158-166
• 附录A158-160
• 附录B160-166
• 表格索引166-168
• 图形索引168-173

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