用于光互連的基于硅納米線波導的陣列波導光柵的研究.pdf

1、隨著信息處理容量和處理速度的爆炸式增加，高性能計算機和高端服務器得到了飛速發(fā)展，CPU的級聯(lián)個數(shù)和它們之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬逐年增加。在不久的將來， CPU之間的數(shù)據(jù)互連帶寬將達到Tbit/s的量級，然而基于金屬傳導的電互連技術在尺寸和功耗方面都不可能實現(xiàn)該需求，面臨著不可逾越的“電子瓶頸”。基于硅光子學的光互連技術以光子為信息載體，不僅具有超高帶寬、超快傳輸速率、抗電磁干擾和低能耗等優(yōu)勢，還使得超緊湊、高集成度的光子器件成為可能。具有波分

2、復用功能的光子器件由于在單根光波導中能同時實現(xiàn)多個波長的多路信號傳輸，是硅光子學光互連系統(tǒng)中非常重要的元件單元。本論文將主要研究基于硅納米線波導的波分復用器件:陣列波導光柵(AWG)。
　　首先介紹了硅納米線波導中光傳輸?shù)幕拘再|以及其制作工藝流程。由于硅芯層(nsi=3.48@1550nm)和二氧化硅(nsio2=1.45)包層之間的高折射率差，使得光場被強限制在波導中，光在波導中傳輸?shù)膹澢霃娇梢孕〉?μm，大大降低了基于硅納

3、米線波導的器件的尺寸，為高密度的光子集成提供了可能。但是，正是這種高折射率差的波導結構，使得硅納米線波導對工藝誤差引起的側壁粗糙非常敏感，并具有非常大的偏振相關性和溫度相關性。
　　接著介紹了基于硅納米線波導的AWG的基本性質，給出了其分別做為路由器和復用/解復用器時的設計步驟以及如何利用半解析的形式來快速實現(xiàn)它的仿真，并分析了硅納米線AWG中損耗和串擾的主要來源。
　　結合蝕刻衍射光柵和傳統(tǒng)AWG的結構布局，并考慮到硅納米

4、線波導本身的特質，提出了一種解決基于硅納米線波導的AWG的偏振相關性問題的方法。重點介紹了該方法的原理和使用的結構，并給出了該方法在細波分復用(DWDM)和粗波分復用(CWDM)應用下的設計步驟和仿真結果。實驗驗證了一個面向CWDM光互連應用的偏振補償?shù)墓杓{米線AWG，它具有5個通道且相鄰通道間距為20nm，測試得到它的最大偏振相關波長偏移(PDλ)從理論分析的380-420 nm減小到了0.5-3.5 nm，相比于各通道的3dB帶寬值

5、(約為12nm)較小。
　　利用越級衍射的設計原理，我們在SOI平臺上實現(xiàn)了具有尺寸大小僅為0.18×0.12 mm2的AWG單纖三向復用器(triplexer)。初期的實驗結果顯示，該AWG triplexer具有非常大的偏振相關性。利用本文提出的偏振補償方法和AWG triplexer在無源光網(wǎng)絡中的應用環(huán)境，我們設計了一個適用于光網(wǎng)絡單元的偏振補償AWG triplexer，實驗顯示它在1490 nm和1550nm通道的PD

6、λ小于2.5 nm，對于ONU單元應用來說，該值已經(jīng)非常小。雖然1310nm通道的PDλ很大，但它可以通過混合集成技術或者是保偏光纖來實現(xiàn)和激光器的連接。
　　最后我們研究了利用馬鞍形結構的陣列波導布局并結合單模波導和多模波導的混合組成方式來提高硅納米線AWG的性能，實驗驗證了一個8×400G的馬鞍形結構AWG，它的串擾優(yōu)于-18dB。同時，基于馬鞍形結構的設計以及結合具有高反射率的布拉格反射器(DBR)，我們設計了基于硅納米線波