本文關(guān)鍵詞：基于SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振控制器的設(shè)計優(yōu)化研究

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【摘要】：在硅基光子集成芯片應(yīng)用中,從光纖耦合進(jìn)光子回路的信號光通常具有隨機的偏振態(tài),而硅基光波導(dǎo)和其他基礎(chǔ)器件呈現(xiàn)出很強的偏振敏感性,極大的限制了硅基光子集成芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。消除硅基集成光子器件的偏振敏感性對于其商業(yè)化應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義,因此集成偏振控制器件作為解決硅基光子集成芯片偏振相關(guān)問題的重要器件,在近幾年得到了廣泛的研究。本研究的主要目的是設(shè)計并優(yōu)化基于絕緣體上硅晶元的片上偏振旋轉(zhuǎn)器,主要包括耦合部分和偏振轉(zhuǎn)化部分。耦合部分包括光柵耦合器和絕熱漸變波導(dǎo),負(fù)責(zé)將光從光纖耦合進(jìn)波導(dǎo);偏振轉(zhuǎn)化部分為偏振旋轉(zhuǎn)器,主要實現(xiàn)TE模和TM模之間的相互轉(zhuǎn)化。為了高效的優(yōu)化出高性能器件,本研究創(chuàng)新性的采用了粒子群算法對器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并取得了良好的效果。本研究的主要創(chuàng)新工作包括:1.采用粒子群算法對雙刻蝕非均勻光柵耦合器的參數(shù)進(jìn)行全面的優(yōu)化,優(yōu)化后的光柵具有高耦合效率。在1550nm波長處,耦合效率達(dá)75.5%,對應(yīng)的損耗僅有1.2d B,1d B帶寬能夠覆蓋C波段。器件制作工藝與CMOS工藝兼容,制作簡單。2.提出了貝塞爾曲線型的絕熱漸變波導(dǎo)。該波導(dǎo)用于連接兩段寬度分別為12μm和0.5μm的波導(dǎo)。通過粒子群算法的優(yōu)化,該絕熱漸變波導(dǎo)長度只有50um,在1540nm-1600nm的波長范圍內(nèi)透射率均在98%以上。其長度遠(yuǎn)短于其他曲線型的絕熱漸變波導(dǎo)。3.首次提出了一種新型表面等離子激元輔助型偏振旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)。該偏振旋轉(zhuǎn)器長度僅有2.56μm;在整個C波段,消光比大于26d B,損耗小于0.75d B。據(jù)我們所知,該器件的損耗在所有同類型器件中是最小的。4.優(yōu)化了基于模式耦合原理的偏振旋轉(zhuǎn)器。該器件具有高帶寬和超低損耗的特性。優(yōu)化后的器件的消光比最高達(dá)到32.3d B;在1550nm波長處消光比為26.3d B,損耗為0.006d B;在1400nm~1700nm范圍內(nèi),消光比都大于17d B,損耗小于0.1d B。
【關(guān)鍵詞】：硅基光子學(xué) 光柵耦合器 絕熱漸變波導(dǎo) 偏振旋轉(zhuǎn)器 粒子群算法
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN256
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 硅基光子學(xué)的發(fā)展11-12
• 1.2 偏振旋轉(zhuǎn)器及其在光子集成芯片中的應(yīng)用12-17
• 1.3 粒子群算法及其在硅基光子器件設(shè)計中的應(yīng)用17-18
• 1.4 本研究主要工作18-21
• 第2章 模式理論、時域有限差分法與粒子群算法21-38
• 2.1 光波導(dǎo)中的模式理論21-31
• 2.1.1 平板波導(dǎo)21-25
• 2.1.2 條形波導(dǎo)25-31
• 2.2 時域有限差分方法（ FDTD）31-35
• 2.3 粒子群優(yōu)化算法基本原理35-38
• 第3章 偏振旋轉(zhuǎn)器組成及對耦合器件的優(yōu)化38-54
• 3.1 片上偏振旋轉(zhuǎn)器件的組成及相關(guān)核心器件38-39
• 3.2 粒子群算法在優(yōu)化非均勻光柵中的應(yīng)用39-47
• 3.2.1 光柵耦合器的理論分析40-42
• 3.2.2 非均勻光柵耦合器的設(shè)計和優(yōu)化42-47
• 3.3 粒子群算法在優(yōu)化絕熱漸變波導(dǎo)中的應(yīng)用47-54
• 3.3.1 貝塞爾曲線型絕熱漸變波導(dǎo)47-48
• 3.3.2 貝塞爾曲線型絕熱漸變波導(dǎo)的優(yōu)化48-54
• 第4章 偏振旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計與優(yōu)化54-72
• 4.1 基于耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器工作原理54-56
• 4.2 表面等離子輔助的超短、低損耗偏振旋轉(zhuǎn)器56-63
• 4.3 基于模式演化原理的高性能偏振旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計和優(yōu)化63-72
• 4.3.1 模式演化型偏振旋轉(zhuǎn)器的工作原理63-65
• 4.3.2 高性能模式演化型偏振旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計65-72
• 結(jié)論72-74
• 參考文獻(xiàn)74-79
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單79-80
• 致謝80-81

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