【摘要】：隨著5G時代的到來以及云存儲、云計算等技術在人們生活中不斷的深入和發(fā)展,大規(guī)模的信息交換、數(shù)據(jù)處理與傳輸對光通信系統(tǒng)提出了更高的要求——傳輸速率和容量的進一步提高。由傳統(tǒng)的分立光子器件構成的光通信網絡已經難以滿足這一需求,光子集成芯片通過將分立的光子器件集成在同一芯片上,可以有效減小體積、降低功耗、提高傳輸速率。隨著光子集成芯片集成度的不斷提高,光收發(fā)模塊傳輸速率從2017年的100 Gb/s向2020年400 Gb/s的目標不斷前進。然而,光子集成芯片技術仍然面臨巨大的挑戰(zhàn),為了提高光通信網絡傳輸速率,適用于大規(guī)模集成的穩(wěn)定且單模性好的激光光源的研究以及增加傳輸信道數(shù)的波分復用技術(Wavelength division multiplexing technology,WDM)以及模分復用技術(Mode division multiplexing,MDM)等復用技術的發(fā)展,是下一代光通信網絡研究的重點。本論文基于二維取樣光柵,對光子集成芯片中的分布式反饋激光器(Distributed feedback laser,DFB)進行優(yōu)化設計,致力于提高DFB激光器的單模特性和穩(wěn)定性,使其更好地應用于大規(guī)模集成。同時,還研究設計了基于MDM技術的多波長模式轉換器以及寬帶緊湊型模式轉換器。論文對二維取樣光柵以及新型微納結構進行了模擬仿真和理論計算,為之后的器件設計提供理論指導。論文取得的主要研究成果如下:(1)論文提出了一種對制備容差度高、可以精確實現(xiàn)目標響應的光柵設計方案。在重構等效啁啾技術的基礎上,論文通過理論分析發(fā)現(xiàn),在均勻基本光柵上疊印二維取樣圖案,可以在其傅里葉級次子光柵中等效實現(xiàn)所需目標響應。光子集成器件因為納米量級光柵結構變化的制備難度大而難以大規(guī)模應用發(fā)展。二維取樣光柵可以利用微米量級取樣結構的設計去實現(xiàn)對納米量級目標響應的等效實現(xiàn)和精確控制,對光子集成器件的設計具有重要的意義。同時論文簡要說明了用于對光柵及微納結構進行物理建模仿真的數(shù)值計算方法比如時域有限差分算法(Finite-difference time-domain,FDTD)和本征 模式 展開法(Eigenmode expansion method,EME)。(2)論文提出了兩種可以在基于重構等效啁啾技術(Reconstruction equivalentchirp,REC)的DFB激光器中提高單縱模特性的光柵結構:交錯取樣光柵和傾斜取樣光柵。論文發(fā)現(xiàn)二維光柵比如交錯光柵和一定傾斜角的傾斜光柵可以抑制布拉格反射。利用這一光學特性,論文所設計的取樣光柵結構,可以實現(xiàn)保持工作級次如-1級傅里葉子光柵為均勻π相移光柵實現(xiàn)濾波選頻,而同時抑制會造成激光器雙模造成性能不穩(wěn)定的0級子光柵。論文利用FDTD仿真了這兩種二維取樣光柵的透射與反射特性并在在硅基(Silicon-on-Insulator,SOI)波導上驗證了交錯取樣光柵的光譜特性。通過二維取樣光柵提高了 DFB激光器的單模特性,更適用于設計制備大規(guī)模高集成度的可調諧DFB激光器陣列。(3)基于二維取樣光柵,論文設計了在氮化硅波導中的多波長模式轉換濾波器。論文通過理論分析發(fā)現(xiàn),傾斜取樣光柵可以將目標光柵的周期和傾斜角的誤差容忍度提高一個數(shù)量級以上,從而可以實現(xiàn)對于目標響應的精確控制。論文同時驗證了基于二維取樣光柵的大功率激光器和光纖傳感器等光子器件。論文利用三維FDTD仿真了模式變換濾波器的反射譜與透射譜并基于傾斜取樣光柵分別設計得到了雙波長模式變換器以及三波長模式變換器。通過改變取樣光柵周期和角度可以實現(xiàn)對模式變換波長和轉換效率的調節(jié)。(4)論文利用多邊形深槽結構設計了基于橫向電場模式(TEm)的寬帶高效緊湊型模式轉換器,實現(xiàn)了從TE0到TE1,TE0到TE2,TE1到TE3,TE2到TEi等多種模式轉換。以TE0到TEi和TE0到TE2的兩種模式轉換器為例,器件長度小于24.0μm,轉換效率高于97.6%,模式串擾低于-20 dB,工作帶寬為100nm。
【圖文】：

圖１．２邋１０通道大規(guī)模光子集成芯片發(fā)射端的結構示意圖逡逑

在光子集成芯片的不斷發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)，同微電子領域內芯片集成度逡逑遵循的摩爾定律類似的是［２３］，光子集成芯片的集成度近似每２．５年翻一番［２４】。從逡逑圖１．３中單個芯片集成的光子器件數(shù)目隨時間不斷的增長可以驗證這一集成度的逡逑增長規(guī)律。目前光子集成的研[傊饕性諞裕桑睿�、酷Ａｓ谍x桑桑桑腫灝氳繼寤襄義銜鏤骱鴕怨杌庾友韉牧街旨際跎�。论文将篡x謖飭街植牧系墓庾蛹懾義閑酒難芯亢頭⒄估捶治齬庾蛹擅媼俚幕齪吞粽健ｅ義希保埃埃板澹殄我誨�？ＣＯＷＵ／３辶x希小危緬澹校瑁�？７w垮澹卞澹茫希攏遙鈴義蟜澹懾危板危村澹蹋酰悖澹睿簦″澹攏澹戾義希駑澹玻埃板五五澹危掊義希澹危澹劐逡誨義希悖戾危危危澹簦睿幔浚錚垮義希駑危劐�？邋／辶x希稿危鈴澹蓿礤義希澹保板澹澹掊義稀觶駑危�，辶x希插危錚椋睿媯簦媯椋澹潁義希危希眨茫櫻稿義希卞澹五五五五五濉輳懼澹酰悖镥義希保祝靛危保梗梗板危保梗梗渝危玻埃埃板危玻埃埃渝危玻埃保板危玻埃保渝義賢跡保徹庾蛹尚酒啥人媸奔淶謀浠荊玻礎垮義獻ⅲ杭啥戎傅ジ魴酒霞善骷垮義希保玻卞澹桑睿泄庾蛹懾義弦蛭裕桑睿形淼模桑桑桑腫灝氳繼寤銜鍤粲謚苯喲恫牧希郟玻擔藎繽跡保矗ǎ幔╁義纖荊繾涌梢災苯喲擁即自廄ǖ郊鄞ビ肟昭ǜ春希庾櫻恍枰鍆忮義系畝坎鉤�，因此发箯T矢擼哂辛己玫姆⒐馓匭�，可覟钠庇嚖桂Q骱凸夥糯簀義掀鰲Ｒ蚨冢桑睿械墓庾蛹尚酒啥群芨摺Ｍ�，，壤_跡保矗ǎ猓┧荊黠厴殄義狹姿腦銜錁哂瀉芎玫木Ц衿ヅ

本文編號：2623994