刻蝕衍射光柵波分復(fù)用器仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、在光通訊網(wǎng)絡(luò)里，隨著波分復(fù)用技術(shù)的使用，可獲得的信息容量迅速增加。波分復(fù)用器.解復(fù)用器是波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)里最關(guān)鍵、最核心的器件。而這其中基于平面波導(dǎo)集成技術(shù)設(shè)計(jì)制作的刻蝕衍射光柵器件，由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、光譜性能優(yōu)異等顯著優(yōu)勢，成為其中具有廣泛應(yīng)用潛力的一種。然而由于器件采用了凹面結(jié)構(gòu)，且光柵周期可變，從而使得對這樣的器件精確計(jì)算和設(shè)計(jì)非常困難，特別在此前研究中一直不能對該類器件偏振特性進(jìn)行有效分析。 本論文首先對使用不同光柵結(jié)構(gòu)的刻

2、蝕衍射光柵器件基于電磁理論做了精確的仿真模擬。采用對鍍金屬光柵和全內(nèi)反射光柵都適用的邊界元方法，精確分析了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對損耗、偏振相關(guān)損耗、串?dāng)_、回波損耗、色散等關(guān)鍵性能的影響，探討了器件損耗和偏振相關(guān)損耗的起源；而對鍍金屬光柵，又提出了更高效的矩量法做仿真分析，并對特定的性能要求給出了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的方法；對全內(nèi)反射光柵則在考慮了Goos-Hanchen位移和齒面有限尺寸影響后對標(biāo)量算法進(jìn)行修正，提出了快速又精確的分析方法，該方法使

3、用簡單的解析推導(dǎo)，既能取得與邊界元算法接近的計(jì)算精度，又可以對計(jì)算結(jié)果給予滿意的物理解釋。 出于改進(jìn)器件性能的要求，論文提出了許多新穎的器件改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，這主要包括： (1)平頂?shù)蜕⒖涛g衍射光柵設(shè)計(jì)：在輸入波導(dǎo)末端加上一段帶有預(yù)整形輸入的多模干涉區(qū)，用優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)整形結(jié)構(gòu)來讓頻譜具有陡峭的邊緣，通過基因算法來優(yōu)化拋物線形多模干涉區(qū)結(jié)構(gòu)，獲得了頻譜高平坦(有效帶寬比接近85％)、低帶通紋波(接近0dB)、低色散(低于3p

4、s/nm)的刻蝕衍射光柵設(shè)計(jì)。 (2)低偏振相關(guān)損耗設(shè)計(jì)：靠讓光柵陰影面具有適當(dāng)?shù)拇植诙?，可以在很大波長范圍內(nèi)設(shè)計(jì)具有低于0.2dB的偏振相關(guān)損耗的刻蝕衍射光柵?？孔尮鈻啪哂泻线m的圓角半徑或陰影面傾斜度，可以設(shè)計(jì)在中心波長附近一定帶寬內(nèi)具有低偏振相關(guān)損耗的刻蝕衍射光柵。 (3)低串?dāng)_設(shè)計(jì)：在每個輸出波導(dǎo)前端引入兩個結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空氣槽，以此來對兩相鄰波長在該通道處的旁瓣場分布作強(qiáng)烈共振散射，卻對工作波長場分布有小的影響。這樣

5、可以大大抑制相鄰?fù)ǖ琅园暧绊懀O(shè)計(jì)串?dāng)_50dB以下的刻蝕衍射光柵器件。 (4)低回波損耗設(shè)計(jì)：在將刻蝕衍射光柵輸入波導(dǎo)放置在中心波長衍射包絡(luò)能量極小值位置后，進(jìn)一步通過交替變換齒面衍射級分布，可以抑制相鄰衍射級能量分布，減小其對輸入波導(dǎo)可能帶來的回波損耗，至40dB左右。 (5)大光柵齒面大自由光譜范圍設(shè)計(jì)：對刻蝕衍射光柵器件，選用大的衍射級，可以獲得相對較大的光柵齒面，減小制作難度，同時(shí)可讓器件的損耗和偏振敏感性都降低

6、；然而大的衍射級必然降低器件的自由光譜范圍，使波分復(fù)用可以利用的通道數(shù)減少。 論文通過對刻蝕衍射光柵所有齒面衍射級全局優(yōu)化，將使用衍射包絡(luò)對相鄰兩衍射包絡(luò)消光比提高到30dB以上，使得相鄰衍射包絡(luò)的能量可以被當(dāng)作可接受的串?dāng)_看待，進(jìn)而解決了上述矛盾。詳盡分析了光柵圓角化、表面粗糙以及波導(dǎo)和器件自由擴(kuò)散區(qū)點(diǎn)缺陷存在等工藝誤差對器件性能帶來的影響，為器件制作提供了參考。對設(shè)計(jì)好的集成波導(dǎo)器件，本論文分別采用硅基二氧化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)