硅基片上復(fù)用器件的研究.pdf

1、由于與CMOS工藝兼容，而且Si和SiO2的高折射率差使得硅基光波導(dǎo)器件可以做的非常緊湊，基于這兩點(diǎn)硅基光子學(xué)在集成光路中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。波分復(fù)用和偏振復(fù)用等復(fù)用技術(shù)能極大的提高光通信的帶寬利用率，但是目前基于硅基的片上復(fù)用技術(shù)還沒有到達(dá)成熟階段。本文致力于多種硅基復(fù)用器件的研制，主要包括三種器件：偏振轉(zhuǎn)換器、偏振分束器和波分復(fù)用器。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計(jì)并制作了基于少模波導(dǎo)的MMI結(jié)構(gòu)的偏振分束器。器件MMI區(qū)的長(zhǎng)度大

2、大縮減。制作的器件在C波段消光比為10dB，插損為2dB。設(shè)計(jì)并制作了橋式定向耦合器結(jié)構(gòu)的偏振分束器，在90nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，消光比大于1dB，而且插損在1dB以內(nèi)。最后本文首次將梯形定向耦合器結(jié)構(gòu)引入偏振分束器。該結(jié)構(gòu)極大的提高了傳統(tǒng)定向耦合器結(jié)構(gòu)偏振分束器的帶寬，在100 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，制作器件的消光比大于16dB，而且插損在0.4dB以內(nèi)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)具有很高的制作容差，因此該結(jié)構(gòu)的偏振分束器實(shí)用價(jià)值高。⑵設(shè)計(jì)并分析了基于光軸

3、旋轉(zhuǎn)和基于模式演化的兩種直接實(shí)現(xiàn)TE0模和TM0模之間偏振轉(zhuǎn)換的偏振轉(zhuǎn)換器。這兩種結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)換器制作容差較低，需要較高工藝水平來保證成品率。提出一種新穎的以高階TE模為過渡模的高性能單波導(dǎo)偏振轉(zhuǎn)換器。利用光束整形的方法，設(shè)計(jì)了三個(gè)新穎的高性能高容差的梯形結(jié)構(gòu)的單波導(dǎo)模階轉(zhuǎn)換器，分別實(shí)現(xiàn)了TE1、TE2和TE3模和TE0模之間的轉(zhuǎn)換；再利用模式演化原理設(shè)計(jì)了TM0模到TE1、TE2和TE3模的梯形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同樣具有高

4、性能高容差的特性，設(shè)計(jì)過程中本文提出用L形截面梯形波導(dǎo)解決 TM0模在 T形截面梯形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)不能轉(zhuǎn)換的到高階偶數(shù)階TE模的問題；最終兩種結(jié)構(gòu)組合成完整的偏振轉(zhuǎn)換器。三個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器的最小線寬都為500nm，測(cè)試結(jié)果顯示在100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，以TE1模、TE2模和TE3模為過渡模的偏振轉(zhuǎn)換器的插損分別小于0.4dB、0.5dB和1dB，偏振消光比分別大于21dB，18dB和23dB。測(cè)試結(jié)果表明這些偏振轉(zhuǎn)換器的性能非常高，將會(huì)在硅基光

5、信號(hào)處理及復(fù)用系統(tǒng)中得到重要應(yīng)用。⑶提出了一種基于 L形截面波導(dǎo)的光通信 O至 U波段偏振轉(zhuǎn)換及分束器。L形截面波導(dǎo)將TM0模轉(zhuǎn)換成類TE1模，同時(shí)使TE0模保持偏振態(tài)和模階不變。非對(duì)稱Y分支將類TE1模與TE0模分束，同時(shí)將類TE1模轉(zhuǎn)化為TE0模。器件總長(zhǎng)度有兩種：127μm和84μm。較長(zhǎng)器件在1200 nm至1700 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)插損小于0.25dB，消光比大于14dB。而縮短后的器件在1200 nm至1700 nm的波長(zhǎng)范

6、圍內(nèi)插損小于0.27dB，消光比大于14dB。該器件具有較高制作容差。據(jù)我們所知，這是首次報(bào)道的可以在光通信O至U波段內(nèi)工作的偏振轉(zhuǎn)換分束器。⑷分析并設(shè)計(jì)制作了基于Lattice-form濾波器的通道間隔為20 nm的O波段波分復(fù)用器。整個(gè)器件只使用了一個(gè)定向耦合器，其他耦合器全部采用2×2 MMI以減少色散的影響。同時(shí)采用3μm寬延遲波導(dǎo)和基于MMI原理的緊湊型梯形模斑轉(zhuǎn)換器，降低了器件對(duì)工藝誤差的敏感性。最終制作器件的光譜和仿真光譜