收藏本站
收藏 | 论文排版

微纳光波导倏逝场耦合结构及其特性研究

洪泽华  
【摘要】:波导耦合是一个经典课题,随着光子技术朝着集成化方向发展,它又被赋予了新的意义。作为集成光子器件的最基本单元,微纳米光波导一直是人们关注的对象,而微纳米光纤与SOI(silicon-on-insulator)波导近年来更是成为研究的热点,这主要得益于以下两个原因:第一,由于Si与SiO2或空气之间存在很大的折射率差,使得光场被紧紧地约束在Si波导中,从而可以把器件做得更小,将更多的光功能模块集成在同一个芯片内;第二,微纳光纤作为典型的微纳光波导,具有低损耗、强倏逝场以及色散参量可调等优点,使其在光电子领域内具有广泛的潜在应用价值,特别是微纳光纤具有与普通单模光纤天然融合的特点,使其成为集成光子芯片与光纤通信系统和网络之间的纽带。 集成光子芯片封装以及片上或片间光互联的一个关键问题是光波导之间的耦合。在一个集成系统中,不同波导的几何结构或材料可能相同,也可能完全不同,这为耦合带来很大的挑战。本文以微纳光波导为出发点,着力探讨基于微纳光波导的高效耦合结构及其耦合特性。为此,我们设计了锥形微纳光纤耦合结构、微纳光纤与锥形SOI波导耦合结构以及基于锥形微纳光纤的多波导耦合结构,文中详细地介绍了这些结构的设计、制作方法以及它们的新颖特性。 首先,论文对现有的波导耦合结构进行了分类。从耦合特征角度可分为强耦合与弱耦合;从耦合方式角度可分为纵向耦合与侧向耦合;从耦合工艺与技术角度可分为直接准直耦合、模场修正端面耦合以及利用其它辅助结构进行耦合等。并逐一阐述了每一类耦合结构的特点,以及它们的研究进展。 其次,论文在理论上对几种不同材料、不同结构的微纳光波导的模场及其耦合进行了分析。主要针对常见的平板波导、硅基条形波导以及微纳光纤波导,深入讨论了它们的模场分布以及倏逝场特点。从纵向耦合和侧向耦合两种耦合类型出发,详细分析了微纳米光波导的耦合机理,讨论了决定耦合效率的主要因素,为接下来的耦合结构设计做了理论铺垫。在这部分,我们将微波领域的传输线理论引入到光通信波段,并将其应用于微纳光波导耦合结构的分析。实践证明,该方法对于耦合结构及其它微纳光子器件的设计、分析都具有重要的参考价值。文中还介绍了几种用于耦合结构设计的数值方法,并对本文用到的有限元法进行了详细的说明。 然后,论文从实验和数值计算两个方面分析了基于微纳光波导的耦合问题。第一,通过大量实验,深入研究了两根同结构同材料的锥形微纳光纤波导之间的耦合特性。详细介绍了基于锥形微纳光纤的倏逝场耦合结构的设计,分析了锥形微纳米光纤波导的几何参数对耦合特性的影响,并给出了相关参数的优化原则。此外,本文还介绍了基于锥形微纳光纤耦合器的具体制作工艺和步骤,并利用实验室自制的微纳光纤制备系统制取了高效率的耦合结构。测试结果表明,其耦合效率最高可达95%。与传统的耦合结构不同,本部分所述结构,理论上可以通过优化其几何参数,使耦合效率随叠合长度收敛于任意所需要的值,这一特点可以大大降低设计中对加工精度的要求。第二,利用数值计算方法仿真了不同结构不同材料微纳波导之间的耦合特性。针对现有标准单模光纤与硅基波导耦合技术存在的问题,本文设计并仿真分析了一种基于微纳米光纤与锥形SOI波导的倏逝场耦合结构。文中深入地分析了微纳光纤的直径、锥形SOI波导的锥体长度、锥体顶端的宽度以及两波导之间的叠合长度等几何参数对耦合特性的影响,给出了参数优化的原则。针对不确定因素造成的实际加工出来的器件在参数上与设计要求不完全吻合的问题,文中着重分析了该结构主要几何参数的容错率。分析结果表明,直径为800nm的微纳光纤与锥体长度仅为4.5μm,厚度为220nm的锥形SOI波导耦合,当它们的叠合长度超过4μm后,其耦合效率保持在90%以上。并且,该结构的3dB工作带宽在300nm以上,各主要参数的容错率完全满足现有加工工艺的要求。文中随后还介绍了该结构的加工工艺流程,阐述了制造该结构的可行性。该结构解决了已有耦合技术在封装、加工、容错率、带宽、效率等方面存在的缺陷,在光互联、集成光子芯片封装中具有潜在的重要应用价值。 接下来,基于上述相关理论、实验和仿真分析研究的成果,制作了一种新颖的多光束功率合成器,它是一种基于锥形微纳光纤的多波导倏逝场耦合结构的全新器件。在光通信以及片上光互联领域内,通常要求功率合束器高效率、低成本以及单模工作,传统的耦合结构很难兼具以上特点。本文所述的结构成功地解决了这一问题,同时还具有结构简单、制作容易、波长无关等特点,使得该结构在光电子领域具有非常重要的潜在应用价值。文中主要介绍了2×1、3×1和4×1三种功率合束器,并详细地分析了它们对相干光和非相干光的合束性能。利用锥形微纳光纤制备装置,我们得到了上述三种功率合束器,并测试了它们的合束性能。实验中,我们分别观测了它们对非相干光和相干光的合束情况,结果表明,它们对非相干光的合束效率可达90%。理论和实验都表明,对相干光的合束,即使在不采用锁相技术的情况下,其效率也可达80%~90%。 最后,对论文工作进行了总结和展望。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 许善生;许正彬;童烨;;一种用于宽带鳍线滤波器设计的耦合结构[J];通信与广播电视;2010年Z1期
2 Ch.Staeger ,宛琰;宽带匹配和耦合结构的计算机辅助设计[J];系统工程与电子技术;1981年09期
3 徐玮;林祖伦;贺兆昌;张文丙;;利用MWS设计螺旋线行波管耦合结构[J];电子器件;2008年05期
4 王琦;;基于散射参数法的波导滤波器设计[J];无线电工程;2011年06期
5 樊会明;肖刘;李莉;苏小保;;空间行波管耦合结构的设计[J];真空电子技术;2006年05期
6 罗春娅;黎慧;顾豪爽;马智超;胡明哲;;高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真[J];功能材料与器件学报;2010年04期
7 张景;梁飞;吕文中;王晓川;;一种新耦合结构的介质滤波器的设计与仿真[J];电子元件与材料;2006年09期
8 张化芳;Ka波段短柱耦合结构的VCO[J];低温与超导;1991年03期
9 姚毅,黄尚锐;调谐微波滤波器的腔间耦合结构研究[J];微波学报;1994年01期
10 陈仕虎;;L波段窄带带通滤波器研究[J];大众科技;2010年08期
11 熊莹霞,尹秋艳,张洪刚;一种可调带通腔体滤波器的设计[J];舰船电子工程;2005年05期
12 陈阳;张怀武;曾斌;;宽阻带基片集成波导带通滤波器[J];电子信息对抗技术;2009年06期
13 洪杰;官伯然;;混合腔间耦合及其在大功率滤波器中的应用[J];杭州电子科技大学学报;2008年01期
14 姜勇;肖刘;刘濮鲲;郝保良;李国超;杜朝海;;毫米波空间行波管输能结构的设计[J];真空电子技术;2009年02期
15 罗畅安;;短柱耦合结构固体源[J];电子科技大学学报;1989年05期
16 李鹏;张宇光;王丽;刘正;严英占;仝晓刚;薛晨阳;闫树斌;;一种基于SOI的集成光波导耦合系统的设计与制备[J];传感技术学报;2011年06期
17 戴友明,郭弘;透射近场光学扫描显微镜中的倏逝场的研究进展[J];激光与光电子学进展;1997年10期
18 史晓锋;陈咏恩;;DVB-C接收机中的均衡器设计[J];电子技术应用;2007年06期
19 殷新社;一种新型螺旋滤波器[J];空间电子技术;1995年01期
20 吴训威,杭国强;具有交叉耦合结构的能量恢复型电路[J];电路与系统学报;2000年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王锋;陈兆国;;S波段高功率串馈功率合成/分配器的设计[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第三册)[C];2006年
2 殷晓龙;郭炜;;对科左中旗“三元种植业与养牛业耦合结构”的系统分析[A];第二届中国牛业发展大会论文集[C];2007年
3 褚庆昕;李舒涛;;用于超宽带带通滤波器的双交指耦合线[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2009年
4 王庆生;塔娜;饶柱石;;微型生物听觉定位系统的力学模型研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文摘要集[C];2007年
5 田秀杰;张其锦;;石英-偶氮聚合物复合光纤的制备和性质[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
6 陈哲;李丰丽;钟金钢;江沛凡;曾应新;刘林和;;侧边抛磨光纤及其应用[A];全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集[C];2005年
7 蒋建锋;涂波;周唐建;崔玲玲;姚震宇;唐淳;;高平均功率薄片激光多通泵浦耦合系统设计[A];中国工程物理研究院科技年报(2005)[C];2005年
8 罗学金;许献国;曹占峰;杨蓉;李小伟;;特殊多芯长电缆电流注入法EMP耦合试验[A];中国工程物理研究院科技年报(2001)[C];2001年
9 刘旭;曲舒霆;洪玮;于兵;柏宁丰;肖金标;孙小菡;;采用准轴向渐变折射率透镜的平面光波光路芯片耦合结构[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年
10 陶红丹;盛美萍;肖和业;;双层耦合结构的隔声性能研究[A];2009年度全国物理声学会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 洪泽华;微纳光波导倏逝场耦合结构及其特性研究[D];上海交通大学;2012年
2 罗讯;基于平面及双层耦合结构的高性能微波无源滤波器设计及实现[D];电子科技大学;2011年
3 易明芳;银纳米立方体及其与银膜耦合结构增强的荧光与拉曼研究[D];中国科学技术大学;2011年
4 何笑东;X波段介质—金属膜片混合加载加速器的研究[D];中国科学技术大学;2009年
5 邓立新;基于倏逝场的光纤生物传感器系统关键技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
6 李宇航;基于倏逝场特性的微纳光纤器件研究[D];浙江大学;2008年
7 胡鹏;0.14THz共焦波导回旋行波管研究[D];中国工程物理研究院;2013年
8 邱兆美;蝴蝶鳞片微观耦合结构及其光学性能与仿生研究[D];吉林大学;2008年
9 陈付昌;新型平面多频带滤波器研究[D];华南理工大学;2010年
10 李荣强;基于基片集成波导的微波无源电路研究[D];电子科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 廖翱;新型耦合结构及其在微波滤波器中的应用研究[D];电子科技大学;2010年
2 任屹灏;腔体滤波器耦合结构的研究与应用[D];电子科技大学;2013年
3 马瑞敏;N个相同Rulkov神经元在星形和全局耦合结构下的同步行为[D];北京交通大学;2010年
4 李立伟;锥形光纤倏逝场液体传感器的研究[D];郑州大学;2012年
5 朱继清;基于能量流有限元的耦合结构振动传递特性分析[D];山东大学;2011年
6 姚廷明;双模介质滤波器的研究[D];南京理工大学;2008年
7 周建梅;腔体滤波器耦合结构理论和关键技术的研究[D];电子科技大学;2009年
8 罗春娅;新型低损耗微波介质材料及器件研究[D];湖北大学;2011年
9 李貌;S波段等离子体耦合腔行波管耦合结构的理论设计与测试[D];电子科技大学;2008年
10 袁艳玲;基于倏逝场效应的光纤传感特性研究[D];中北大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978