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基于硅纳米线的阵列波导光栅研究

黄华茂  
【摘要】: 阵列波导光栅(AWG)已成为密集波分复用系统中的关键器件。随着大规模光子集成器件的发展,AWG的小型化和温度不敏感设计成为重要的研究课题。硅纳米线具有较高的芯层-包层折射率差,在通信窗口有较低传输损耗的发展潜力,而且与电子工业现有工艺兼容,引起国内外学者的广泛兴趣。本文研究基于硅纳米线的阵列波导光栅(Si-AWG)的设计、模拟和优化,实现温度不敏感AWG (TI-AWG)的热应力补偿法和多波导混合集成法。 光波导理论是AWG设计的基础。研究平板波导和矩形波导的模式理论,介绍矩形波导模式计算的有效折射率法(EIM)、有限差分光束传播法(FDBPM)和有限元法(FEM)。比较三种方法的结果表明,在硅纳米线中,不同偏振分量之间的耦合较大,在临近截止区域应使用全矢量有限元法(FV-FEM)。介绍仿真光在波导中传输的FDBPM和有限差分时域法(FDTD),分析硅纳米线的解耦合性能、弯曲损耗和连接损耗。介绍光波导的应力理论和FEM的应力分析,研究AWG中应力双折射现象。 Si-AWG的设计、模拟和优化是本文的主要工作之一。采用马鞍型版图,研究Si-AWG的设计理论,给出一般的设计流程。采用EIM将AWG的三维模型近似转化为二维模型,建立基于二维菲涅尔-基尔霍夫衍射公式(2D-FKDF)的理论计算方法,研究2D-FDTD的全局仿真,两种方法的结果吻合。采用2D-FKDF和2D-FDTD对Si-AWG的各参数进行优化,设计实例的中心通道峰值波长的损耗约1.5 dB,串扰小于20 dB。研究宽度不同的Si纳米线混合集成实现低损耗Si-AWG,给出补偿法和多波导混合集成法两种设计方法,并使用2D-FDTD进行验证。 基于热应力补偿的TI-AWG是本文的主要工作之二。研究各向异性Si晶体和各向同性二氧化硅(Si02)波导中应力的影响。忽略材料的各向异性,根据弹性多层板热应力理论和掩埋矩形波导的应力集中理论,推导AWG阵列波导芯层应力的解析解,与3D-FEM应力分析的结果吻合。研究芯层应力差的影响因素以及应力板的调节作用,结果表明,应力板能大幅度调节平行衬底方向的芯层应力分量,而对垂直衬底方向的芯层应力分量影响较小;在AWG芯片底部粘贴具有正热膨胀系数的应力板或在芯片顶部粘贴具有负热膨胀系数的应力板都可实现偏振不敏感的AWG。将波导上包层区分为覆盖上包层和芯层间包层,分析表明,对芯层应力产生主要影响的是芯层间包层,覆盖上包层的影响可以忽略。推导各向异性平板波导的有效折射率及其温度系数的解析解,采用EIM估计应力板作用下AWG阵列波导芯层有效折射率的温度系数,与3D-FEM结果吻合。系统研究应力板对AWG中心波长温度系数(TCCW)的影响,结果表明,应力板的材料参数、厚度能有效地调节TCCW。在AWG芯片底部粘贴具有较大正热膨胀系数或在芯片顶部粘贴具有较大负热膨胀系数的应力板,可有效降低TCCW。在SiO2-AWG的底部或顶部粘贴黄铜板的实验结果与理论吻合。 基于多波导混合集成的TI-AWG是本文的主要工作之三。所有波导的厚度均为260 nm。研究2D和3D狭缝波导的模式特征、Si纳米线与狭缝波导的连接损耗、直波导间的解耦合特性、不同结构参数下Si纳米线和狭缝波导的温度特性。选择宽度为400 nm的Si纳米线作为波导Ⅰ,研究波导Ⅱ是Si纳米线或狭缝波导的两波导混合集成的温度特性。设计两波导混合集成的基于马赫-曾德尔干涉仪的光滤波器(MZI-OF)和AWG,分析不同长度的波导Ⅰ和波导Ⅱ对MZI-OF和AWG的温度敏感性、色散性能和器件尺寸的影响,并采用2D-FDTD全局仿真进行验证。结果表明,根据中心波长的参数设计的温度不敏感器件,在长波长区域将发生过补偿,在短波长区域将发生欠补偿;长波长区域比短波长区域具有较小的色散增强效应。从器件最小化的角度,应选择宽度为250 nm的Si纳米线为波导Ⅱ;从色散不敏感和温度不敏感的角度,应选择Si波导宽度为150 nm且狭缝宽度为100 nm的狭缝波导为波导Ⅱ。最后将两波导混合集成的设计理论推广到任意多类波导混合集成的设计。


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