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硅基PLC型无源光子集成器件理论与关键技术研究

蒋卫锋  
【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。


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