论文题目: 陈列波导光栅的理论建模与优化设计及其实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 戴道锌
导师: 何赛灵
关键词: 阵列波导光栅,有限差分法,束传播方法,多模,频谱平坦化,互易法,波分复用,弯曲波导,偏振,硅绝缘体材料,损耗,工艺误差,刻蚀
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 阵列波导光栅(AWG)是一种典型的集成型光波导器件,具有优越的性能和广泛的应用前景。本文对AWG的特性进行了深入研究,提出了新的有效数值模拟方法与优化设计,改进了AWG的性能,并完成了相关的实验和测试。 由于集成光波导器件的特殊性,数值模拟计算在器件的设计中占据非常重要的地位,建立有效可靠的模拟平台是一项非常关键的工作。本文首先介绍了光波导基本理论,总结了用于光波导模场分析的解析方法和数值方法。在均匀格点的基础上,给出了基于柱坐标的全矢量非均匀格点有限差分方法(FDM),并采用了完美匹配层(PML)边界条件。所得FDM公式具有通用性和统一性,可以衍生出多种特殊情形的FDM,如均匀格点FDM、直角坐标FDM等。因此几乎可用于所有复杂波导结构(包括弯曲波导)模式特性分析。给出了基于PML边界条件的二维/三维束传播方法(BPM),将柱坐标下的二维近轴BPM推广到广角BPM。基于这些数值方法对光波导的特性进行了研究:首先,利用FDM对硅绝缘体材料(SOI)脊型波导模式进行了研究,从而进一步确定了其单模条件中常数c的取值。其次,对SOI脊型波导的偏振特性进行了研究,对参数做了归一化,确定了无偏振结构相关参数(脊宽、脊高)的选取规则,为下一步设计偏振不敏感的SOI光波导器件奠定了一定基础。如何减小弯曲半径以提高集成度也是集成光波导器件的重要研究问题。通过研究多模弯曲波导的特性,本文提出了利用多模弯曲波导实现低损耗基模传输的方法,一定程度上减小了弯曲半径,能够提高集成度。 对AWG的模拟方法进行了总结和改进,提出了几种新的模拟方法。首先给出了基于高斯近似的简单模拟方法、基于直角坐标BPM的分区模拟方法。提出了基于柱坐标BPM的全局模拟方法,研究了输出波导弯曲部分对AWG频谱响应(尤其是旁瓣大小)的影响,并得到了实验结果的验证。发展了一种基于基尔霍夫衍射公式的AWG三维模拟方法,其中基尔霍夫衍射公式用于计算自由传输区(FPR)中的光场传播,并针对AWG的特殊结构,提出了一种精确的二维等效模型,克服了传统EIM的局限性。提出了一种结合三维BPM和二维基尔霍夫衍射公式的AWG三维精确模拟方法。对于输入FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用极坐标BPM,从而能够方便准确地计算出各阵列波导的耦合系数。而对于输出FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用常规直角坐标BPM进行模拟,且计算区域只仅需包含几条阵列波导,因此具有高效率的优点。利用以上几种模拟方法,本文分析了AWG特性:(ⅰ)利用高斯近似模拟方法研究了工艺误差对AWG器件性能的影响;(ⅱ)利用直角坐标BPM的分区域模拟方法研究了AWG中由于阵列波导之间耦合引入的位相畸变;(ⅲ)利用基于基尔霍夫衍射公式的3D模拟方法对SOI基AWG中FPR的多模效应进行了研究,并提出了减小多模效应的结构设计和方法。最后,提出了一种基于纳米Si波导的超小尺寸交叠式AWG结构,推导了确定阵列波导各参数的公式,并给出了设计布局图和模拟频谱响应图。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
§1.1 光集成器件的研究意义与发展现状
§1.2 论文主要内容以及创新点
§1.2.1 主要内容
§1.2.2 创新点
参考文献
第二章 光波导基本理论
§2.1 平板波导
§2.1.1 射线理论分析法
§2.1.2 波动理论分析法
§2.1.3 高斯近似模场
§2.2 条形波导
§2.2.1 马卡梯里方法
§2.2.2 等效折射率方法(EIM)
§2.3 本章小结
参考文献
第三章 光波导数值计算
§3.1 PML边界
§3.2 全矢量波动方程
§3.3 有限差分方法(FDM)
§3.3.1 差分公式
§3.3.2 波动方程差分形式
§3.3.3 几种特殊情况的差分公式
§3.3.4 计算例子
§3.4 束传播方法(BPM)
§3.4.1 3D-BPM
§3.4.2 2D-BPM
§3.4.3 3D虚轴BPM
§3.5 光波导特性分析
§3.5.1 SOI脊型光波导的单模条件
§3.5.2 SOI脊型光波导的弯曲特性
§3.5.3 SOI脊型光波导的偏振相关特性
§3.5.4 SOI模式匹配器的优化设计
§3.6 本章小结
参考文献
第四章 AWG的理论建模与新型设计
§4.1 AWG原理和几何设计
§4.1.1 AWG工作原理与基本特性
§4.1.2 AWG基本性能指标
§4.1.3 AWG设计流程
§4.1.4 设计实例
§4.2 AWG的理论建模
§4.2.1 基于高斯近似的简便模拟方法
§4.2.2 基于BPM的分区模拟方法
§4.2.3 柱坐标BPM在AWG模拟中的应用
§4.2.4 基于基尔霍夫衍射公式的AWG二维模拟
§4.2.5 基于基尔霍夫衍射公式的AWG三维模拟及其二维等效
§4.2.6 AWG的精确三维模拟方法
§4.3 AWG性能分析
§4.3.1 工艺误差对AWG性能的影响
§4.3.2 阵列波导耦合引起的位相误差
§4.3.3 SOI基AWG的多模效应
§4.4 基于纳米SI波导的超小尺寸AWG的设计
§4.5 本章小结
参考文献
第五章 AWG频谱平坦化设计
§5.1 频谱平坦化方法与原理
§5.2 平坦化设计方法
§5.2.1 基于1∶1成像的平坦化设计方法
§5.2.2 基于互易原理的平坦化设计方法
§5.3 频谱平坦化的实现
§5.3.1 基于锥形MMI的平顶型AWG
§5.3.2 基于普通MMI与锥形输出波导组合的平顶型AWG-Ⅰ
§5.3.3 基于普通MMI与锥形输入／输出波导组合的平顶型AWG-Ⅱ
§5.4 本章小结
参考文献
第六章 光波导集成器件制作工艺研究
§6.1 波导层薄膜生长
§6.1.1 Si基SiO_2波导
§6.1.2 SOI波导
§6.2 光刻工艺
§6.3 刻蚀工艺
§6.3.1 刻蚀技术概述
§6.3.2 刻蚀工艺研究
§6.4 本章小结
参考文献
第七章 光波导集成器件的测试
§7.1 测试流程
§7.2 测试装置
§7.3 波导传输损耗测试
§7.3.1 截断法
§7.3.2 FP共振法
§7.4 AWG的测试
§7.4.1 温控装置
§7.4.2 光纤阵列
§7.4.3 测试结果与讨论
§7.5 本章小结
参考文献
第八章 总结与展望
附录：攻读博士学位期间发表的论文和专利
致谢
发布时间: 2005-07-27
参考文献
- [1].离子注入光电晶体损伤诱导折射率改变及波导导模特性研究[D]. 姜毅.山东大学2006
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