硅基纳米线阵列波导光栅的研究

论文摘要

波分复用技术可以在单根光纤中复用多路不同波长的信号,极大地提高了光纤通信速率和通信容量。而阵列波导光栅（AWG）由于损耗低、结构紧凑、易于与其他器件集成等优点,成为波分复用与解复用器的首选器件。基于纳米线的AWG由于SOI的强限制作用,器件尺寸可以做得很小,非常有利于器件的集成,近年来成为人们的研究热点。但是因为纳米线波导的有效折射率对波导尺寸波动十分敏感,而且AWG器件阵列波导部分长度很大,因此在波导制作过程中即使引入很小的波导宽度随机误差就足以使得器件光相位紊乱,导致AWG器件串扰性能极度恶化。本文研究了如何设计纳米线AWG器件并降低工艺误差带来的串扰,主要做了以下工作:（1）介绍了多种计算AWG中的关键波导结构模式有效折射率的方法,如平板波导、矩形波导、脊波导,并给出了脊波导的单模条件;（2）创新性提出了通过级联波导光栅滤波器的方法来压制AWG响应谱旁瓣,从而显著改善AWG的串扰性能。这种方法不需要增加额外工艺流程,级联滤波器长度仅为54μm,因此能保持器件结构紧凑。通过模拟验证级联滤波器后AWG串扰降低了15dB;（3）分析比较了AWG及波导光栅器件的几种不同建模方法的优缺点,并给出了各自的计算结果;（4）详细介绍了如何确定AWG及光栅滤波器的结构参数,并结合实例讲述了如何在串扰方面对器件的各参数进行总体优化;（5）制作并测试了8×8信道的AWG,测出的信道间隔为3.2nm,与设计值相同,但串扰仅为-4dB。同时评估了工艺误差对AWG及光栅滤波器串扰性能的影响,模拟发现即便几个纳米的平均宽度波动都将是串扰增大十几个分贝。而对于滤波器,误差的出现将使损耗增大及引起中心波长漂移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 通信技术发展现状及波分复用技术
• 1.2 阵列波导光栅复用/解复用器件
• 1.3 纳米线AWG 发展现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 纳米光波导的模式分析与设计
• 2.1 波导模式折射率的求解
• 2.2 脊波导的单模条件
• 2.3 本章小结
• 3 器件结构及工作原理
• 3.1 AWG 级联光栅滤波器结构
• 3.2 阵列波导光栅的工作原理
• 3.3 波导光栅滤波器的基本工作原理
• 3.4 AWG 级联滤波光栅的工作原理
• 3.5 本章小结
• 4 AWG 及光栅滤波器的理论建模
• 4.1 改进的有效折射率法
• 4.2 AWG 的理论建模
• 4.3 滤波器的建模
• 4.4 本章小结
• 5 器件的设计与优化
• 5.1 AWG 的设计与优化
• 5.2 光栅滤波器的设计与优化
• 5.3 本章小结
• 6 实验结果及工艺误差分析
• 6.1 实验结果及分析
• 6.2 工艺误差分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本论文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献