基于SOI導波線非性應效的光脈沖開關設計及分析.pdf

1、近年來，絕緣體上的硅 (SOI)波導引起了業(yè)界的廣泛關注，人們對其理論和實驗的研究也日漸增多。由于SOI波導結構具有很強的光場約束性能，它的材料具有雙光子吸收等特性，這決定了它擁有多種非線性效應。
　　 本論文研究了皮秒和飛秒量級的光脈沖在SOI波導中的非線性過程，并利用這個過程所表現(xiàn)出來的函數(shù)，設計了各種光開關模型，并對其進行熱穩(wěn)定分析。主要的研究成果如下:
　　 (1)
　　 綜述了近年來硅基光電子器件的發(fā)展

2、狀況以及它們在非線性光開關上的應用趨勢。在參考相關理論的基礎上，得到了較完善的光脈沖非線性傳輸方程。
　　 (2)
　　 介紹了矢量有限單元法的電磁學分析理論，并把這種方法應用于聚合物波導的模式分析中，得到更加精確的計算結果。還把這種方法應用于光電印刷電路板
　　 EOPCB)的45°全內(nèi)反射波導鏡的誤差分析中，得出了相對功率變化和制作誤差之間的關系；計算出了制作誤差的容限，這有利于指導實際的45°全內(nèi)反射波導鏡

3、的制作。還把這種方法應用于EOPCB的45°全內(nèi)反射波導鏡和波導的對齊誤差的分析中，得出了相對功率變化和對齊誤差之間的關系；計算出了對齊誤差的容限，有利于指導實際的45°全內(nèi)反射波導鏡和波導對齊的制作。
　　 (3)
　　 介紹了非線性薛定諤方程的常用解法——分步傅立葉方法，但這個方法的缺點是需要大量的計算機內(nèi)存和計算時間；因此，本論文提出了分步多小波方法來求解非線性薛定諤方程。它將光脈沖信號進行取樣、壓縮之后再計算，這

4、樣可以節(jié)省計算機的內(nèi)存和計算時間，而計算精度卻沒有明顯的下降。并且，把這個方法應用于兩芯非線性光脈沖開關的求解中，在和其他的方法相比之后，發(fā)現(xiàn)耦合器的功率轉(zhuǎn)移效率沒有明顯變化，但計算機的內(nèi)存和計算時間卻減少很多，此方法有利于偏微分方程的迭代求解。
　　 (4)
　　 分析了刻蝕深度擾動條件下的線性負切趾SOI布拉格光柵 (LNTSBGDC)兩芯變系數(shù)耦合器的功率傳遞效率。對于高斯、指數(shù)和升余弦變耦合系數(shù)來說，當相對功率傳

5、遞效率分別低于0.02時，光脈沖開關的性能基本上不受影響；此時得到了刻蝕深度的容限，有利于指導實際的制作這種光開關。另外，設計了級聯(lián)的SOI非線性光脈沖開關，分別計算了耦合長度，芯距比對開關功能的影響。在對脈沖光開關的切換功能影響不大的前提下，計算出芯層的高度、寬度和芯距比的制作容限。在此容限范圍內(nèi)，他們對功率轉(zhuǎn)移效率和相對功率轉(zhuǎn)移效率誤差的影響很有限。當四個不同功率的光脈沖輸入時，他們分別被切換到不同的端口輸出。盡管輸出脈沖有一點壓縮

6、和損耗，但輸出脈沖的波形基本上沒有太大變化。而光脈沖開關的功能卻實現(xiàn)了，這個設計證明是有效的。
　　 (5)
　　 分析了基于非對稱三芯SOI變高斯耦合系數(shù)光脈沖開關的功率轉(zhuǎn)移效率和消光比的熱穩(wěn)定性。因為Si和SiO2材料的折射率受溫度變化的影響，那么非線性耦合器的有效折射率也相應的變化。當耦合系數(shù)的參數(shù)以及溫度變化時，分別得到相對轉(zhuǎn)移效率誤差值、相對消光比變化值。當溫度在100K?的范圍內(nèi)變化時，計算出了耦合系數(shù)參數(shù)的

7、設計范圍；在這個范圍內(nèi)光脈沖開關的功率轉(zhuǎn)移效率和消光比能夠穩(wěn)定工作。另外，研究了雙光子吸收效應引起的光脈沖波長選擇開關陣列的性能變化。因為雙光子吸收效應能夠使整個陣列的溫度發(fā)生變化，而溫度的變化將導致材料的有效折射率以及布拉格波長發(fā)生變化；這將造成功率轉(zhuǎn)移效率，脈沖峰值幅度比和相對消光比發(fā)生變化。經(jīng)過計算，得到歸一化輸入功率的取值范圍；在此范圍內(nèi)，相對轉(zhuǎn)移效率值變化的最小，光脈沖開關的切換功能基本上不受影響。脈沖波長選擇的功能得以可靠實