隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,人們對(duì)即時(shí)通信、搜索引擎、高清視頻、網(wǎng)絡(luò)直播等相關(guān)業(yè)務(wù)需求量的激增推動(dòng)了光纖通信系統(tǒng)不斷擴(kuò)容,然而傳統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量因受限于非線性效應(yīng)而無法滿足未來對(duì)通信容量與日俱增的要求�？辗謴�(fù)用技術(shù)在波分復(fù)用、偏分復(fù)用、高級(jí)調(diào)制格式等技術(shù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提升光纖傳輸容量。為了充分利用空間模式的多樣性,研究如何在發(fā)射端激發(fā)并復(fù)用盡可能多的模式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,而硅光集成器件因其小尺寸、低損耗、低成本、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)被視為與光纖傳輸鏈路對(duì)接的極具潛力的方案之一。另一方面,片上全光信號(hào)處理技術(shù)也需要面向空分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)改造以適用于數(shù)據(jù)中心的芯片互連等應(yīng)用。本論文針對(duì)基于硅光集成器件的空分復(fù)用模式調(diào)控展開了研究,研究?jī)?nèi)容涉及適用于片上模式維度擴(kuò)展的器件設(shè)計(jì)、適用于環(huán)芯光纖軌道角動(dòng)量模式激發(fā)的器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)以及適用于模分復(fù)用系統(tǒng)全光邏輯操作的器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。論文的主要研究成果如下:(1)設(shè)計(jì)了一種基于非對(duì)稱波導(dǎo)的高階模式轉(zhuǎn)換器,分析了器件的模式雜化現(xiàn)象與偏振相關(guān)性,分別針對(duì)TM和TE偏振態(tài)研究了器件刻蝕參數(shù)對(duì)模式轉(zhuǎn)換效率和器件長(zhǎng)度的影響,并結(jié)合工藝容差分析給出了器件的參數(shù)選取指南。仿真結(jié)果表明可達(dá)到98%的模式轉(zhuǎn)換效率。研究了絕熱拉錐結(jié)構(gòu)中的模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,并在前述器件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩模復(fù)用系統(tǒng),模式消光比均在較寬波段內(nèi)超過15dB,實(shí)現(xiàn)了片上模式維度的縱向擴(kuò)展。(2)設(shè)計(jì)并制作了一種新型軌道角動(dòng)量光束發(fā)射器,該器件結(jié)合角光柵微環(huán)諧振器和多模干涉耦合器,對(duì)特定波長(zhǎng)可以產(chǎn)生4個(gè)階數(shù)與偏振態(tài)互異的軌道角動(dòng)量模式,充分利用了空間模式的多樣性。提出了基于半解析法的微環(huán)設(shè)計(jì)方案,制作出的器件經(jīng)過測(cè)試表明與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。利用該器件成功激發(fā)了環(huán)芯光纖中對(duì)應(yīng)的軌道角動(dòng)量模式,且在大幅度擾動(dòng)光纖的情況下光纖輸出的模場(chǎng)仍然保持穩(wěn)定。從理論上分析了該器件作為光子源時(shí)應(yīng)滿足的最佳耦合條件,并根據(jù)現(xiàn)有裝置測(cè)試了系統(tǒng)損耗,表明在提高器件發(fā)射效率和減小系統(tǒng)損耗的條件下該器件有望應(yīng)用于量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)。(3)提出了適用于模分復(fù)用系統(tǒng)的全光邏輯操作。對(duì)多模非線性薛定諤方程進(jìn)行了數(shù)值求解并建立了仿真模型,可用于研究多模信號(hào)在非線性介質(zhì)中的傳輸演化過程。設(shè)計(jì)并制作了片上兩模復(fù)用系統(tǒng),通過改變多模波導(dǎo)尺寸調(diào)控模式的色散特性使其滿足相位匹配條件,利用前述模型驗(yàn)證了模式選擇性四波混頻的可行性,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了適用于模分復(fù)用系統(tǒng)的雙路邏輯操作,測(cè)試了系統(tǒng)的誤碼率,結(jié)果表明與單模操作相比兩個(gè)模式同時(shí)進(jìn)行邏輯操作時(shí)產(chǎn)生的額外功率代價(jià)分別為1.3dB和1.1dB。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN491
【部分圖文】：

OAM 光束發(fā)射器制作于丹麥技術(shù)大學(xué) Danchip 超凈間，所用的晶圓片上硅層厚度為 260nm，絕緣層厚度為 1μm。清洗好的硅片經(jīng)過烘干后被旋涂上光刻膠（正膠），適度烘烤后采用電子束曝光將器件圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上并顯影，再次烘烤后采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕將器件圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到硅片上，去膠后并沉積二氧化硅包層即得到制作好的器件。圖 4-15(a)為部分器件的顯微鏡照片，圖 4-15(b)為傳輸特性測(cè)試平臺(tái)，對(duì)僅含輸入輸出垂直耦合光柵的對(duì)照組進(jìn)行測(cè)試可得光纖與芯片的耦合損耗約為 4dB 左右，帶有 MMI 耦合器的微環(huán)直通端輸出功率較低，因此僅用于監(jiān)測(cè)光纖與芯片的耦合情況。由于 OAM 光束從芯片表面垂直出射，因此與一般水平置于載物臺(tái)上的芯片不同，該芯片需要被固定在垂直于光學(xué)平臺(tái)的平面上，使得出射的OAM 光束可以沿水平方向傳播。另外，一般的光學(xué)顯微鏡也不再適用于這樣的裝置，需要自行搭建顯微鏡光路用于觀察光纖與芯片的對(duì)準(zhǔn)情況。圖 4-16 為耦合平臺(tái)裝置圖，采用可見光源照明芯片，并利用雙透鏡成像及可見光數(shù)碼相機(jī)（PointGreyCMLN-13S2C-CS）構(gòu)成簡(jiǎn)易顯微鏡系統(tǒng)。

圖 4-16 耦合平臺(tái)裝置圖試 OAM 光束發(fā)射器的特性，在以上基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖 4-�？烧{(diào)諧激光器（AndoAQ4321D）輸出的光經(jīng)過摻鉺光纖放大環(huán)形器和偏振控制器進(jìn)入輸入單模光纖與芯片耦合，環(huán)形器源，偏振控制器用于調(diào)控輸入光的偏振態(tài)使得絕大部分光耦模。光譜儀（AndoAQ6317B）與輸出單模光纖相連，用于監(jiān)測(cè)。由于耦合方式為垂直耦合，輸入輸出光纖的夾具占用了一定離較小的物鏡來聚集出射的 OAM 光束，因此選擇焦距為 18。OAM 光束經(jīng)過反射鏡后，通過紅外相機(jī)（XenicsXEVA-41采用自由空間光功率計(jì)測(cè)量器件發(fā)射譜，最后通過反射型空tsu X13138-08）定量分析 OAM 光束中的模式分量。紅外相機(jī)

環(huán)芯光纖前端在被固定到位移臺(tái)之前需要?jiǎng)兂科秸�，然后清潔端面，最后用顯微鏡觀察端面是要重復(fù)上述過程直至光纖端面如圖 4-1(c)所示。于環(huán)纖中心為空氣，如果切割時(shí)刀片不垂直于光片相對(duì)的一邊形成斷層，導(dǎo)致光場(chǎng)出現(xiàn)角向相關(guān)圖 4-22 OAM 光束發(fā)射器與環(huán)芯光纖的耦合裝置光譜儀M0M1M2L0L1 L2A B環(huán)芯光纖四分之一波片 偏振片紅外相機(jī)光功率計(jì)

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2 劉群;趙旭凇;;TD-SCDMA HSDPA 空分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用研究[J];通信世界;2009年13期

3 米貴山;吳鵬飛;;無線通信中空分復(fù)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J];信息與電腦(理論版);2017年24期

4 趙健;劉亞平;李桂芳;;下一代空分復(fù)用光通信系統(tǒng)[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2018年20期

5 ;用于空分復(fù)用技術(shù)的新型光纖[J];光電工程;2017年04期

6 呂晶;羅漢文;丁銘;;正交空分復(fù)用系統(tǒng)中一種低復(fù)雜度用戶選擇算法[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2009年07期

7 Ji-ying XIANG;;非理想條件下空分復(fù)用研究與應(yīng)用（英文）[J];Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering;2018年03期

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本文編號(hào)：2829463