由于光纖與SOI（Silicon-on-insulator）波導(dǎo)之間存在巨大的模場失配,二者直接進(jìn)行端面耦合時(shí)的損耗非常高,需要通過模斑轉(zhuǎn)換器（SSC,Spot Size Converters）來減小模場失配,從而降低耦合損耗。迄今研究者們提出了各種結(jié)構(gòu)的硅基模斑轉(zhuǎn)換器,包括:三維錐形模斑轉(zhuǎn)換器、雙層錐形模斑轉(zhuǎn)換器、倒錐形模斑轉(zhuǎn)換器和梯度折射率透鏡型模斑轉(zhuǎn)換器等,并且在離子交換玻璃基模斑轉(zhuǎn)換器方面也進(jìn)行了一些研究。玻璃基模斑轉(zhuǎn)換器采用玻璃基離子交換光波導(dǎo)技術(shù)制作,具有工藝簡單、成本低的獨(dú)特優(yōu)勢。本論文針對玻璃基模斑轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究,主要內(nèi)容如下:1.玻璃基離子交換過程的模擬:從通用的擴(kuò)散方程出發(fā),采用時(shí)域有限差分法（FDTD,Finite Difference Time Domain Method）對熱離子交換、反交換和電場輔助離子遷移過程進(jìn)行了模擬,求解波導(dǎo)的離子濃度分布和折射率分布,并采用RSoft仿真了離子交換窗口寬度和擴(kuò)散深度對波導(dǎo)模場尺寸的影響。2.玻璃基表面型模斑轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)、制備及表征:通過玻璃基離子交換光波導(dǎo)技術(shù),設(shè)計(jì)和制備了不同尺寸的玻璃基表面型模斑轉(zhuǎn)換器。測試結(jié)果顯示... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

單模光纖和單模SOI波導(dǎo)的模場分布圖（a）單模光纖，（b）單模SOI波導(dǎo)

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論2目前主要的光纖與SOI波導(dǎo)耦合技術(shù)包括光柵耦合和端面耦合，其中光柵耦合易于封裝測試，但工作帶寬較孝偏振敏感；而端面耦合的耦合效率更高、工作帶寬大、偏振依賴性小，但往往制備困難、工藝容差孝準(zhǔn)直要求高、測試和封裝難度大[2,3]。1.2.1光柵耦合光柵耦合易于封裝測試，是目前比較常用的光纖-SOI波導(dǎo)耦合技術(shù)。如圖1.2所示，當(dāng)光從光纖以垂直或接近垂直的方式入射到光柵耦合器表面時(shí)，由于布拉格衍射效應(yīng)，衍射光在垂直于光柵的方向上發(fā)生相互干涉而增強(qiáng)，從而使得一部分光沿著光柵耦合器進(jìn)入旁邊的光波導(dǎo)[3]。如圖1.2（a）所示，如果光柵與波導(dǎo)是完全垂直的，設(shè)光纖的輸入光功率為，與光柵耦合之后向右側(cè)傳輸?shù)墓夤β蕿椋蜃髠?cè)傳輸?shù)墓夤β蕿椤�，反射的光功率為，透射光功率為，忽略其他損耗，則：=+′++(1-1)由于完全垂直結(jié)構(gòu)的對稱性，有=′≤/2，也就是說對于這種完全垂直的對稱型光柵耦合器，單側(cè)耦合效率的理論極限是低于50%的。為了提高光柵耦合器的耦合效率，必須要打破這種對稱性。通常的做法是使得輸入光柵傾斜一定的角度，如圖1.2（b）所示，由DirkTaillaert等人設(shè)計(jì)了一種傾斜入射的光柵耦合器，傾斜角度為8°，耦合效率可以突破50%的限制[2,4,5]。圖1.2光柵耦合（a）對稱光柵垂直耦合示意圖，（b）對稱光柵傾斜輸入耦合示意圖[2]光柵耦合的最基本理論是布拉格條件[2,6]。光柵的布拉格條件描述了光柵的入射光的波矢、各衍射級波矢和光柵矢量三者之間的關(guān)系[2]。由布拉格條件可以導(dǎo)出光柵耦合的相位匹配條件：

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論4基模斑轉(zhuǎn)換器。（1）三維錐形模斑轉(zhuǎn)換器[18-25]模斑轉(zhuǎn)換的最直接和最自然的方法是采用錐形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模場的平滑轉(zhuǎn)變。為了獲得更高的耦合效率，要求錐形結(jié)構(gòu)在寬度和厚度方向上緩慢變化，即要滿足絕熱條件[26,27]，以保證模場平滑過渡，降低損耗。如圖1.3所示，三維錐形模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，但需要足夠的長度方能獲得較高的耦合效率。此外，由于光纖芯部的折射率與硅波導(dǎo)的折射率相差較大，為了減小反射，往往需要在端面上鍍一層抗反射層。但最為關(guān)鍵的問題是，三維錐形模斑轉(zhuǎn)換厚度方向的錐形結(jié)構(gòu)與CMOS工藝的兼容性差，通常需要采用“灰度光刻”等技術(shù)�！盎叶裙饪獭辈粌H成本高，而且不易控制，還需要與傳統(tǒng)光刻進(jìn)行套刻，工藝難度較高。另外利用濕法刻蝕也能制備厚度方向上的錐形結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣璨牧系母鱾�(gè)晶向在某些特定溶液中的腐蝕速率不同，刻蝕后可以得到特定角度的傾斜面。但這種濕法刻蝕的方法也存在一些問題：首先，只能獲得某些特定的角度，無法滿足不同錐形的需求；其次，還存在難以控制刻蝕速率和刻蝕表面粗糙度的問題。圖1.3三維錐形模斑轉(zhuǎn)換器[19]（2）雙層錐形模斑轉(zhuǎn)換器[28-32]為了解決三維錐形模斑轉(zhuǎn)換器中厚度方向上錐形結(jié)構(gòu)的工藝難題，科學(xué)家們提出了雙層錐形模斑轉(zhuǎn)換器。如圖1.4（a）所示，雙層錐形模斑轉(zhuǎn)換器利用上下兩層寬度方向上的錐形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模場尺寸在寬度和厚度兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)換，隨

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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[4]玻璃基離子交換工藝及波導(dǎo)器件的研究[D]. 鄭偉偉.浙江大學(xué) 2011
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碩士論文
[1]改進(jìn)型離子掩膜技術(shù)制作的玻璃基光波導(dǎo)研究[D]. 馮澤明.浙江大學(xué) 2017
[2]玻璃基雙層掩埋式光波導(dǎo)的制備與表征[D]. 鄭斌.浙江大學(xué) 2012
[3]Ag-Na離子交換單模平面波導(dǎo)折射率分布及Cu離子交換波導(dǎo)的光致發(fā)光特性研究[D]. 邱楓.吉林大學(xué) 2008



本文編號：3587449