隨著硅基光子學的發(fā)展,高密度集成光學器件成為人們關(guān)注的熱點,對于單個光器件,滿足單模傳輸是最基本的要求,這可以避免模式間耦合、色散等負面效應;此外,光器件的輸入輸出端也應便于與單模光纖進行耦合,如果端口波導的尺寸太小,與光纖耦合的難度就很大,會影響光器件的性能。在集成光學領(lǐng)域,絕緣體上硅(SOI)材料被廣泛運用,其導波層硅(即頂層硅)和下包層(即二氧化硅)的折射率差很大,由它們組成的脊形光波導在垂直方向上對光的限制作用很強,但是在水平方向上對光的限制較弱,高階模會隨著光的傳輸迅速衰減,波導中最終只能存在基模,從而實現(xiàn)單模傳輸。因此,SOI脊形光波導在比較大的截面尺寸下仍能保持單模特性。本文旨在保證單模傳輸?shù)那疤嵯?設計出截面尺寸盡可能大的脊形光波導,提高與單模光纖的耦合效率。本文從電磁波的麥克斯韋方程著手,采用模式匹配法(Film-mode-matching method,FMM),有限元法(Finite-elements method,FEM),有限差分法(Finitedifference method,FDM),有效折射率法(Effective-index method,EIM)分析了SOI脊形光波導中第一個高階模的傳播特性。同時利用FIMMWAVE軟件分析了內(nèi)脊高為2μm,3μm,和5μm的SOI脊形光波導,提出了更加精確適用的單模條件,并與經(jīng)典的脊形波導單模條件進行了比較,即Soref單模條件和EIM單模條件。研究發(fā)現(xiàn),在單模條件公式中,并不存在一個固定不變的常數(shù)α,使得改公式滿足所有幾何參數(shù)的脊形光波導。因此,針對這三種不同內(nèi)脊高的波導,修改了對應的α值,使其與模擬的結(jié)果吻合,同時提供了更大的尺寸選擇范圍。對于TE偏振來說,如果內(nèi)脊高超過5μm,α的值為0.3,與Soref公式相同;如果內(nèi)脊高為2μm,3μm,和5μm,對應的α的值分別為0.45,0.4和0.35。對于TM偏振來說,α的值則是固定的,即0.25。利用本文的單模波導設計條件,成功應用于硅基馬赫-曾德爾熱光開關(guān)的研制。本文成功制備了四組不同刻蝕深度的脊形光波導,每組均包含不同寬度的波導,涵蓋了單模波導和多模波導。在波導的測量方面,本文介紹了觀測波導模式的流程以及如何判斷光纖與波導是否成功耦合的方法,并討論了測試中出現(xiàn)的問題。最后值得一提的是本論文的研究對今后工程設計工作于光纖通信C波段大截面單模SOI脊型光波導及相應的光子集成器件具有重要的指導意義。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN252

【參考文獻】

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1 余金中,嚴清峰,夏金松,王小龍,王啟明;SOI光電子集成[J];功能材料與器件學報;2003年01期

本文編號：2082494