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基于SOI波导非线性效应的光脉冲开关设计及分析

陶青  
【摘要】:近年来,绝缘体上的硅(SOI)波导引起了业界的广泛关注,人们对其理论和实验的研究也日渐增多。由于SOI波导结构具有很强的光场约束性能,它的材料具有双光子吸收等特性,这决定了它拥有多种非线性效应。 本论文研究了皮秒和飞秒量级的光脉冲在SOI波导中的非线性过程,并利用这个过程所表现出来的函数,设计了各种光开关模型,并对其进行热稳定分析。主要的研究成果如下: (1)综述了近年来硅基光电子器件的发展状况以及它们在非线性光开关上的应用趋势。在参考相关理论的基础上,得到了较完善的光脉冲非线性传输方程。 (2)介绍了矢量有限单元法的电磁学分析理论,并把这种方法应用于聚合物波导的模式分析中,得到更加精确的计算结果。还把这种方法应用于光电印刷电路板(EOPCB)的45°全内反射波导镜的误差分析中,得出了相对功率变化和制作误差之间的关系;计算出了制作误差的容限,这有利于指导实际的45°全内反射波导镜的制作。还把这种方法应用于EOPCB的45°全内反射波导镜和波导的对齐误差的分析中,得出了相对功率变化和对齐误差之间的关系;计算出了对齐误差的容限,有利于指导实际的45°全内反射波导镜和波导对齐的制作。 (3)介绍了非线性薛定谔方程的常用解法——分步傅立叶方法,但这个方法的缺点是需要大量的计算机内存和计算时间;因此,本论文提出了分步多小波方法来求解非线性薛定谔方程。它将光脉冲信号进行取样、压缩之后再计算,这样可以节省计算机的内存和计算时间,而计算精度却没有明显的下降。并且,把这个方法应用于两芯非线性光脉冲开关的求解中,在和其他的方法相比之后,发现耦合器的功率转移效率没有明显变化,但计算机的内存和计算时间却减少很多,此方法有利于偏微分方程的迭代求解。 (4)分析了刻蚀深度扰动条件下的线性负切趾SOI布拉格光栅(LNTSBGDC)两芯变系数耦合器的功率传递效率。对于高斯、指数和升余弦变耦合系数来说,当相对功率传递效率分别低于0.02时,光脉冲开关的性能基本上不受影响;此时得到了刻蚀深度的容限,有利于指导实际的制作这种光开关。另外,设计了级联的SOI非线性光脉冲开关,分别计算了耦合长度,芯距比对开关功能的影响。在对脉冲光开关的切换功能影响不大的前提下,计算出芯层的高度、宽度和芯距比的制作容限。在此容限范围内,他们对功率转移效率和相对功率转移效率误差的影响很有限。当四个不同功率的光脉冲输入时,他们分别被切换到不同的端口输出。尽管输出脉冲有一点压缩和损耗,但输出脉冲的波形基本上没有太大变化。而光脉冲开关的功能却实现了,这个设计证明是有效的。 (5)分析了基于非对称三芯SOI变高斯耦合系数光脉冲开关的功率转移效率和消光比的热稳定性。因为Si和Si02材料的折射率受温度变化的影响,那么非线性耦合器的有效折射率也相应的变化。当耦合系数的参数以及温度变化时,分别得到相对转移效率误差值、相对消光比变化值。当温度在±100K的范围内变化时,计算出了耦合系数参数的设计范围;在这个范围内光脉冲开关的功率转移效率和消光比能够稳定工作。另外,研究了双光子吸收效应引起的光脉冲波长选择开关阵列的性能变化。因为双光子吸收效应能够使整个阵列的温度发生变化,而温度的变化将导致材料的有效折射率以及布拉格波长发生变化;这将造成功率转移效率,脉冲峰值幅度比和相对消光比发生变化。经过计算,得到归一化输入功率的取值范围;在此范围内,相对转移效率值变化的最小,光脉冲开关的切换功能基本上不受影响。脉冲波长选择的功能得以可靠实现。这对于指导实际的制作光脉冲波长选择开关阵列是有意义的。


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