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硅基二氧化硅型阵列波导光栅的研制

周立兵  
【摘要】:平面光波导集成器件是光电子研究领域的一个重要分支。硅基二氧化硅平面光波导技术是上世纪末发展起来的一项新的集成光子器件技术,由于它具有与硅微电子工艺兼容、与二氧化硅光纤模式匹配等优势,受到人们的广泛关注,特别是基于硅基二氧化硅的阵列波导光栅(AWG:Array waveguide gratings)器件,具有其它复用/解复用器不可比拟的优势,如易集成、可批量、波长间隔小等,是当前国内外研发的热门领域之一。本文从理论、设计、制作工艺和测试方面对硅基二氧化硅波导AWG进行了系统研究,得到了一些有价值的结论。为国产AWG器件的走向实用化提供了一定的理论和实验基础。 作者利用麦克斯韦方程对平板波导进行分析,得到模场的分布和有效折射率。在此基础上,应用有效折射率方法(EIM:Effective Index Method)对条形波导进行研究。采用光束传输方法(BPM:Beam Propagation Method)对波导的传输性能进行模拟。利用BPM结合关联函数方法研究了圆弧波导的有效折射率与弯曲半径的关系,探讨了圆弧波导与直波导的耦合损耗,为进一步的研究其他波导结构和指导以后的实验打下基础。 偏振相关损耗(PDL:Polarization Dependent Loss)是影响波导器件实际应用的一个重要指标,它是由于波导中的热应力引起的。作者利用多层膜的应力与应变理论对波导芯层和整个波导结构进行了分析,推导了热应力和应变的解析表达式,揭示了波导合成材料对应力应变的影响,对了解和分析波导器件的偏振相关特性具有很好的理论价值。 本文全面系统地介绍了AWG器件的基本原理、性能指标及参数定义。基于模式耦合提出了AWG光谱响应理论模型,可以用来精确估算并优化AWG的归一化光谱,并提出了一种阵列波导的排列方法,可以比较容易实现阵列波导的排列。 针对光网络的发展趋势,即骨干网向高密度大容量方向发展,需要多通道波长间隔小且带内平坦的复用/解复用器;而城域网和接入网向多波长低成本拓展光纤带宽方向发展,需要低通道数大通道间隔的复用/解复用器。本文设计并优化了两种不同的AWG结构,一个是平坦型40通道100GHz间隔AWG,另外一个是8通道2500GHz间隔AWG。并针对各自的问题,如40通道AWG带内皱波,超大频率间隔AWG阵列波导难


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