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《东南大学》 2017年
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微纳尺度硅基无源光子集成器件及片上混合复用传输技术研究

徐银  
【摘要】:信息技术的快速发展,使得人们对通信网络、高速互连、信息处理及数据存储有着更高要求,高速度、大容量、低功耗、低成本是各类通信网络及信号处理系统的发展方向。硅基光子集成器件的研制与标准CMOS工艺兼容,具有结构紧凑、性能优越、功耗低、成本低等诸多优点,能够实现各类光子器件的高密度集成,形成硅基光子集成回路(PICs),在片上光通信、光互连、数据中心及高性能计算等方面有着重大应用潜力。然而,高折射率差硅基材料系能够有效缩小光子器件尺寸,但同时引入显著偏振相关性,需进行高效偏振控制,以扩大硅基材料系的适用范围。另外,模式转换、光功率多路分配、PICs中的波导交叉、及以此为基础形成的硅基片上混合复用传输技术是当前硅光子学的研究热点。本论文围绕上述问题,开展相关研究工作。第一章首先简要回顾了硅光子学的发展历程,重点介绍了常用硅基无源光子集成器件(如模式转换器、光功分器、波导交叉器、偏振控制器)及硅基片上混合复用传输技术的研究现状,描述了光子集成器件的主要性能指标,最后总结了本论文的主要内容及创新点。第二章介绍了本论文涉及的光波导及其器件数值分析及优化设计方法,如频域有限差分法、有限元法、束传播法及时域有限差分法,并对它们的基本原理、计算过程、适用范围、边界条件等进行了论述。第三章提出了一种新型硅基条形波导-槽波导模式转换器。采用亚波长光栅波导构建多模干涉区与taper型过渡区,基于亚波长光栅多模干涉效应,多模波导末端将产生输入光场的二重像并进一步转变为输出槽波导模式,器件总长度为4.3μm,工作带宽可覆盖光通信的全波段。在第三章模式转换研究的基础上,第四章提出了一种偏振不敏感型条形波导-槽波导功分器。通过在用于功率均分的多模波导中央位置嵌入反向taper型亚波长光栅结构,实现了偏振不敏感型传输,器件多模区长度仅为1.92μm且性能优异,可直接用于硅基槽式光调制器的研究。第五章针对平面密集PICs中不可避免的波导交叉问题,开展了槽波导十字交叉器及混合波导十字交叉器的研究。采用了工作带宽大、制作容差高的多模波导作为波导交叉核心部件,为获得较好的器件性能,本文进行了详细地结构参数优化并给出了优化设计结果。此外波导交叉的研究可进一步向着超紧凑、多功能、多类型波导交叉器的方向继续推进。第六章开展了硅基偏振控制器的系统研究,主要围绕偏振分束器、偏振旋转器、偏振分束-旋转器及起偏器这四类偏振控制器展开。提出了三种紧凑型偏振分束器,分别为基于非对称多模波导型槽波导偏振分束器、基于亚波长光栅波导型偏振分束器与基于非对称三波导定向耦合型偏振分束器;提出了两种偏振旋转器,分别为基于各向异性槽波导偏振旋转器与基于混合等离子体效应槽波导偏振旋转器;提出了两种超紧凑型偏振分束-旋转器,分别为集成型槽波导偏振分束-旋转器与基于部分刻蚀亚波长光栅波导型偏振分束-旋转器;同时也提出了两种起偏器,分别为基于垂直耦合型槽波导起偏器与基于透明导电氧化物式波导起偏器。对于上述器件,本论文均进行了详细地器件设计及优化分析并给出了器件关键参数的制作容差,所获器件性能及尺寸具有较明显的优势。在上述硅基无源光子集成器件研究的基础上,第七章开展了硅基片上混合复用传输技术研究,提出了一种硅基片上波长与偏振混合复用传输系统的技术方案。详细探究了该传输系统中偏振复用/解复用器的设计,混合复用传输技术方案的构建及仿真验证,此外对其结构及性能方面的优势进行了分析并对该传输系统的应用进行了探讨。最后对全文主要研究内容、结论等进行了总结,并对后续工作进行了展望。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN256

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