陈列波导光栅的理论建模与优化设计及其实验研究

【摘要】：阵列波导光栅(AWG)是一种典型的集成型光波导器件,具有优越的性能和广泛的应用前景。本文对AWG的特性进行了深入研究,提出了新的有效数值模拟方法与优化设计,改进了AWG的性能,并完成了相关的实验和测试。 由于集成光波导器件的特殊性,数值模拟计算在器件的设计中占据非常重要的地位,建立有效可靠的模拟平台是一项非常关键的工作。本文首先介绍了光波导基本理论,总结了用于光波导模场分析的解析方法和数值方法。在均匀格点的基础上,给出了基于柱坐标的全矢量非均匀格点有限差分方法(FDM),并采用了完美匹配层(PML)边界条件。所得FDM公式具有通用性和统一性,可以衍生出多种特殊情形的FDM,如均匀格点FDM、直角坐标FDM等。因此几乎可用于所有复杂波导结构(包括弯曲波导)模式特性分析。给出了基于PML边界条件的二维/三维束传播方法(BPM),将柱坐标下的二维近轴BPM推广到广角BPM。基于这些数值方法对光波导的特性进行了研究:首先,利用FDM对硅绝缘体材料(SOI)脊型波导模式进行了研究,从而进一步确定了其单模条件中常数c的取值。其次,对SOI脊型波导的偏振特性进行了研究,对参数做了归一化,确定了无偏振结构相关参数(脊宽、脊高)的选取规则,为下一步设计偏振不敏感的SOI光波导器件奠定了一定基础。如何减小弯曲半径以提高集成度也是集成光波导器件的重要研究问题。通过研究多模弯曲波导的特性,本文提出了利用多模弯曲波导实现低损耗基模传输的方法,一定程度上减小了弯曲半径,能够提高集成度。 对AWG的模拟方法进行了总结和改进,提出了几种新的模拟方法。首先给出了基于高斯近似的简单模拟方法、基于直角坐标BPM的分区模拟方法。提出了基于柱坐标BPM的全局模拟方法,研究了输出波导弯曲部分对AWG频谱响应(尤其是旁瓣大小)的影响,并得到了实验结果的验证。发展了一种基于基尔霍夫衍射公式的AWG三维模拟方法,其中基尔霍夫衍射公式用于计算自由传输区(FPR)中的光场传播,并针对AWG的特殊结构,提出了一种精确的二维等效模型,克服了传统EIM的局限性。提出了一种结合三维BPM和二维基尔霍夫衍射公式的AWG三维精确模拟方法。对于输入FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用极坐标BPM,从而能够方便准确地计算出各阵列波导的耦合系数。而对于输出FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用常规直角坐标BPM进行模拟,且计算区域只仅需包含几条阵列波导,因此具有高效率的优点。利用以上几种模拟方法,本文分析了AWG特性:(ⅰ)利用高斯近似模拟方法研究了工艺误差对AWG器件性能的影响;(ⅱ)利用直角坐标BPM的分区域模拟方法研究了AWG中由于阵列波导之间耦合引入的位相畸变;(ⅲ)利用基于基尔霍夫衍射公式的3D模拟方法对SOI基AWG中FPR的多模效应进行了研究,并提出了减小多模效应的结构设计和方法。最后,提出了一种基于纳米Si波导的超小尺寸交叠式AWG结构,推导了确定阵列波导各参数的公式,并给出了设计布局图和模拟频谱响应图。