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集成波导转弯微镜型阵列波导光栅的研制

贾科淼  
【摘要】:光波分复用器件是密集波分复用(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing)系统的核心器件之一。现有的可以实现波分复用功能的器件结构有多种,如多层介质薄膜滤波器(MDTFF: Multiple Dielectric Thin Film Filter),光纤布拉格光栅(FBG: Fiber Bragg Grating),阵列波导光栅(AWG: Arrayed Waveguide Grating)等。其中,阵列波导光栅AWG以其出色的性能特点在光波分复用器件中具有重要的地位,尤其在多通道数(如40通道以上)时的器件结构选择中,AWG占有绝对优势。而硅材料不仅是微电子与微机电系统(MEMS: Micro-Electro-Mechanical-System)的基础材料,同时也凭借着出色的光电特性成为集成光学的主要材料之一。本文便是要研究基于绝缘体上的硅材料的AWG。 弯曲波导是平面光波导器件中不可缺少的结构单元。尤其是在AWG的设计中,阵列波导部分几乎不可避免的都采用弯曲波导来实现。然而由于SOI上弯曲波导的曲率半径较大,基于SOI材料的AWG芯片尺寸很难做小。论文将集成波导转弯微镜(IWTM: Integrated Waveguide Turning Mirror)引入到AWG的设计,用直波导集成转弯微镜的结构代替传统AWG中的弯曲波导,组成器件的阵列波导部分,成功减小了器件的尺寸。 论文首先归纳了SOI脊型波导的性质,包括脊型波导单模条件,有效折射率,弯曲波导损耗,波导-波导耦合,波导-光纤耦合,偏振相关特性等。同时,论文也对基于SOI材料的集成波导转弯微镜的结构及损耗、偏振特性作了总结。 文中采用传统AWG设计方法确定了SOI上IWTM-AWG的结构参数。特别地,对IWTM-AWG的阵列波导部分的结构进行了细致的设计。该设计不仅满足了相邻阵列波导长度差相等,同时也保持了器件的对称性。论文从损耗,偏振相关性和串扰三方面对这一设计展开了详细的计算和分析讨论,并结合工艺实验,设计了器件版图,其中阵列波导部分的绘制采用了Matlab编程的方法,大大减小了错误几率。 本文对工艺中的关键步骤做了实践和总结,优化了工艺参数。通过对器件进行加工,测试,最终研制出基于SOI材料的1×8 IWTM-AWG。器件的片内损耗在10dB以内,通道间串扰-23dB。3dB带宽0.25nm,通道间隔1.58nm,偏振相关中心波长漂移0.068nm。从目前的实验结果来看,器件的尺寸确实得以明显的


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