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集成光波导的设计与分析

刘畅  
【摘要】:在传统的电互连中,电子是传递能量的载体,因而电互连遭遇着寄生参数以及电磁干扰的困扰。随着对超高速电路系统的应用和大数据量传输的需求的增加,电互连已然成为影响系统带宽、数据误码率等系统性能的重要因素。而光互连以光为传输载体,具有超高速以及抗电磁干扰等优良特性,成为在高性能要求领域代替电互连、完成高效率信息传输的良好选择。光电集成将光互连系统与电路系统进行集成,一方面使得光学系统的体积减小、稳定性及效率得到提高、功耗降低,另一方面极大地改善了电路系统的互连效率,成为信息技术发展的一个重要方向。光波导是光电集成中光互连的实现方式,另外为了利用成熟的微电子工艺平台,与微电子标准工艺兼容是光电集成需要考虑的重要问题,因此硅基光波导的性能好坏及实现方式是实现光电集成的关键。 本文用导波光学理论对光波导进行了分析,鉴于严格求解波动方程的复杂性,因而探讨了使用数值计算方法有限差分传输光束法对光波导进行计算的原理与方式。然后分析比较了光波导的常用材料及结构,并对基本的硅基光波导进行研究。具体考查SOI和SiO_2两种材料,使用脊型和矩形端面的光波导。通过近似解法等效折射率法和马卡梯里近似法对脊型和矩形端面光波导进行理论分析,然后依据单模条件仿真迭代设计出支持单模传输的光波导,使用bend-simulated方法仿真弯曲波导,分析波导的弯曲损耗特性、相互间的耦合干扰以及分叉角度和分叉区形状对Y分支功分器辐射损耗的影响。设计出相应的Y分支和1×4功分器对所研究波导的整体性能进行验证。对所设计的SOI脊型、SOI矩形、SiO_2脊型、SiO_2矩形光波导各项性能做了对比与讨论,说明使用SiO_2矩形光波导进行光电集成最为适宜,并且在对性能要求不高的场合,使用SOI脊型光波导代替SiO_2矩形光波导可以获得对工艺精度较小的依赖性。另外,使用S型分支臂来实现Y分支功分器可以在保证性能的条件下得到高的集成度。


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