微納尺度硅基無(wú)源光子集成器件及片上混合復(fù)用傳輸技術(shù)研究.pdf

1、信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)、高速互連、信息處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有著更高要求，高速度、大容量、低功耗、低成本是各類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展方向。硅基光子集成器件的研制與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、功耗低、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)各類(lèi)光子器件的高密度集成，形成硅基光子集成回路(PICs)，在片上光通信、光互連、數(shù)據(jù)中心及高性能計(jì)算等方面有著重大應(yīng)用潛力。然而，高折射率差硅基材料系能夠有效縮小光子器件尺寸，但同時(shí)

2、引入顯著偏振相關(guān)性，需進(jìn)行高效偏振控制，以擴(kuò)大硅基材料系的適用范圍。另外，模式轉(zhuǎn)換、光功率多路分配、PICs中的波導(dǎo)交叉、及以此為基礎(chǔ)形成的硅基片上混合復(fù)用傳輸技術(shù)是當(dāng)前硅光子學(xué)的研究熱點(diǎn)。本論文圍繞上述問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)研究工作。
　　第一章首先簡(jiǎn)要回顧了硅光子學(xué)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了常用硅基無(wú)源光子集成器件（如模式轉(zhuǎn)換器、光功分器、波導(dǎo)交叉器、偏振控制器）及硅基片上混合復(fù)用傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀，描述了光子集成器件的主要性能指標(biāo)，最后

3、總結(jié)了本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)。
　　第二章介紹了本論文涉及的光波導(dǎo)及其器件數(shù)值分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如頻域有限差分法、有限元法、束傳播法及時(shí)域有限差分法，并對(duì)它們的基本原理、計(jì)算過(guò)程、適用范圍、邊界條件等進(jìn)行了論述。
　　第三章提出了一種新型硅基條形波導(dǎo)-槽波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器。采用亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)構(gòu)建多模干涉區(qū)與taper型過(guò)渡區(qū)，基于亞波長(zhǎng)光柵多模干涉效應(yīng)，多模波導(dǎo)末端將產(chǎn)生輸入光場(chǎng)的二重像并進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵霾鄄▽?dǎo)模式，器件總長(zhǎng)

4、度為4.3μm，工作帶寬可覆蓋光通信的全波段。
　　在第三章模式轉(zhuǎn)換研究的基礎(chǔ)上，第四章提出了一種偏振不敏感型條形波導(dǎo)-槽波導(dǎo)功分器。通過(guò)在用于功率均分的多模波導(dǎo)中央位置嵌入反向taper型亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了偏振不敏感型傳輸，器件多模區(qū)長(zhǎng)度僅為1.92μm且性能優(yōu)異，可直接用于硅基槽式光調(diào)制器的研究。
　　第五章針對(duì)平面密集PICs中不可避免的波導(dǎo)交叉問(wèn)題，開(kāi)展了槽波導(dǎo)十字交叉器及混合波導(dǎo)十字交叉器的研究。采用了工作帶寬

5、大、制作容差高的多模波導(dǎo)作為波導(dǎo)交叉核心部件，為獲得較好的器件性能，本文進(jìn)行了詳細(xì)地結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。此外波導(dǎo)交叉的研究可進(jìn)一步向著超緊湊、多功能、多類(lèi)型波導(dǎo)交叉器的方向繼續(xù)推進(jìn)。
　　第六章開(kāi)展了硅基偏振控制器的系統(tǒng)研究，主要圍繞偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器、偏振分束-旋轉(zhuǎn)器及起偏器這四類(lèi)偏振控制器展開(kāi)。提出了三種緊湊型偏振分束器，分別為基于非對(duì)稱(chēng)多模波導(dǎo)型槽波導(dǎo)偏振分束器、基于亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)型偏振分束器與基于非對(duì)稱(chēng)三

6、波導(dǎo)定向耦合型偏振分束器;提出了兩種偏振旋轉(zhuǎn)器，分別為基于各向異性槽波導(dǎo)偏振旋轉(zhuǎn)器與基于混合等離子體效應(yīng)槽波導(dǎo)偏振旋轉(zhuǎn)器;提出了兩種超緊湊型偏振分束-旋轉(zhuǎn)器，分別為集成型槽波導(dǎo)偏振分束-旋轉(zhuǎn)器與基于部分刻蝕亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)型偏振分束-旋轉(zhuǎn)器;同時(shí)也提出了兩種起偏器，分別為基于垂直耦合型槽波導(dǎo)起偏器與基于透明導(dǎo)電氧化物式波導(dǎo)起偏器。對(duì)于上述器件，本論文均進(jìn)行了詳細(xì)地器件設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析并給出了器件關(guān)鍵參數(shù)的制作容差，所獲器件性能及尺寸具有較明