微納光波導(dǎo)倏逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)及其特性研究.pdf

1、波導(dǎo)耦合是一個(gè)經(jīng)典課題，隨著光子技術(shù)朝著集成化方向發(fā)展，它又被賦予了新的意義。作為集成光子器件的最基本單元，微納米光波導(dǎo)一直是人們關(guān)注的對(duì)象，而微納米光纖與SOI（silicon-on-insulator）波導(dǎo)近年來更是成為研究的熱點(diǎn),這主要得益于以下兩個(gè)原因：第一,由于Si與SiO2或空氣之間存在很大的折射率差，使得光場(chǎng)被緊緊地約束在Si波導(dǎo)中，從而可以把器件做得更小，將更多的光功能模塊集成在同一個(gè)芯片內(nèi)；第二，微納光纖作為典型的微納

2、光波導(dǎo)，具有低損耗、強(qiáng)倏逝場(chǎng)以及色散參量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，使其在光電子領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值，特別是微納光纖具有與普通單模光纖天然融合的特點(diǎn)，使其成為集成光子芯片與光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之間的紐帶。
　　集成光子芯片封裝以及片上或片間光互聯(lián)的一個(gè)關(guān)鍵問題是光波導(dǎo)之間的耦合。在一個(gè)集成系統(tǒng)中，不同波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)或材料可能相同，也可能完全不同，這為耦合帶來很大的挑戰(zhàn)。本文以微納光波導(dǎo)為出發(fā)點(diǎn)，著力探討基于微納光波導(dǎo)的高效耦合結(jié)構(gòu)及其耦合特

3、性。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了錐形微納光纖耦合結(jié)構(gòu)、微納光纖與錐形SOI波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)以及基于錐形微納光纖的多波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，文中詳細(xì)地介紹了這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作方法以及它們的新穎特性。
　　首先，論文對(duì)現(xiàn)有的波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類。從耦合特征角度可分為強(qiáng)耦合與弱耦合；從耦合方式角度可分為縱向耦合與側(cè)向耦合；從耦合工藝與技術(shù)角度可分為直接準(zhǔn)直耦合、模場(chǎng)修正端面耦合以及利用其它輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合等。并逐一闡述了每一類耦合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及它們的研究進(jìn)

4、展。
　　其次，論文在理論上對(duì)幾種不同材料、不同結(jié)構(gòu)的微納光波導(dǎo)的模場(chǎng)及其耦合進(jìn)行了分析。主要針對(duì)常見的平板波導(dǎo)、硅基條形波導(dǎo)以及微納光纖波導(dǎo)，深入討論了它們的模場(chǎng)分布以及倏逝場(chǎng)特點(diǎn)。從縱向耦合和側(cè)向耦合兩種耦合類型出發(fā)，詳細(xì)分析了微納米光波導(dǎo)的耦合機(jī)理，討論了決定耦合效率的主要因素，為接下來的耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了理論鋪墊。在這部分，我們將微波領(lǐng)域的傳輸線理論引入到光通信波段，并將其應(yīng)用于微納光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的分析。實(shí)踐證明，該方法對(duì)于

5、耦合結(jié)構(gòu)及其它微納光子器件的設(shè)計(jì)、分析都具有重要的參考價(jià)值。文中還介紹了幾種用于耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)值方法，并對(duì)本文用到的有限元法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。
　　然后，論文從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面分析了基于微納光波導(dǎo)的耦合問題。第一，通過大量實(shí)驗(yàn)，深入研究了兩根同結(jié)構(gòu)同材料的錐形微納光纖波導(dǎo)之間的耦合特性。詳細(xì)介紹了基于錐形微納光纖的倏逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分析了錐形微納米光纖波導(dǎo)的幾何參數(shù)對(duì)耦合特性的影響，并給出了相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化原則。此外，本

6、文還介紹了基于錐形微納光纖耦合器的具體制作工藝和步驟，并利用實(shí)驗(yàn)室自制的微納光纖制備系統(tǒng)制取了高效率的耦合結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，其耦合效率最高可達(dá)95％。與傳統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)不同，本部分所述結(jié)構(gòu)，理論上可以通過優(yōu)化其幾何參數(shù)，使耦合效率隨疊合長度收斂于任意所需要的值，這一特點(diǎn)可以大大降低設(shè)計(jì)中對(duì)加工精度的要求。第二，利用數(shù)值計(jì)算方法仿真了不同結(jié)構(gòu)不同材料微納波導(dǎo)之間的耦合特性。針對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與硅基波導(dǎo)耦合技術(shù)存在的問題，本文設(shè)計(jì)并仿真分

7、析了一種基于微納米光纖與錐形SOI波導(dǎo)的倏逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)。文中深入地分析了微納光纖的直徑、錐形SOI波導(dǎo)的錐體長度、錐體頂端的寬度以及兩波導(dǎo)之間的疊合長度等幾何參數(shù)對(duì)耦合特性的影響，給出了參數(shù)優(yōu)化的原則。針對(duì)不確定因素造成的實(shí)際加工出來的器件在參數(shù)上與設(shè)計(jì)要求不完全吻合的問題，文中著重分析了該結(jié)構(gòu)主要幾何參數(shù)的容錯(cuò)率。分析結(jié)果表明，直徑為800nm的微納光纖與錐體長度僅為4.5μm，厚度為220nm的錐形 SOI波導(dǎo)耦合，當(dāng)它們的疊合長度

8、超過4μm后，其耦合效率保持在90%以上。并且，該結(jié)構(gòu)的3dB工作帶寬在300nm以上，各主要參數(shù)的容錯(cuò)率完全滿足現(xiàn)有加工工藝的要求。文中隨后還介紹了該結(jié)構(gòu)的加工工藝流程，闡述了制造該結(jié)構(gòu)的可行性。該結(jié)構(gòu)解決了已有耦合技術(shù)在封裝、加工、容錯(cuò)率、帶寬、效率等方面存在的缺陷，在光互聯(lián)、集成光子芯片封裝中具有潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。
　　接下來，基于上述相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)和仿真分析研究的成果，制作了一種新穎的多光束功率合成器，它是一種基于錐形微

9、納光纖的多波導(dǎo)倏逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)的全新器件。在光通信以及片上光互聯(lián)領(lǐng)域內(nèi)，通常要求功率合束器高效率、低成本以及單模工作，傳統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)很難兼具以上特點(diǎn)。本文所述的結(jié)構(gòu)成功地解決了這一問題，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、波長無關(guān)等特點(diǎn)，使得該結(jié)構(gòu)在光電子領(lǐng)域具有非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。文中主要介紹了2×1、3×1和4×1三種功率合束器，并詳細(xì)地分析了它們對(duì)相干光和非相干光的合束性能。利用錐形微納光纖制備裝置，我們得到了上述三種功率合束器，并測(cè)