本文關(guān)鍵詞：用于光互連的基于硅納米線波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)光柵的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著信息處理容量和處理速度的爆炸式增加,高性能計(jì)算機(jī)和高端服務(wù)器得到了飛速發(fā)展,CPU的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)和它們之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬逐年增加。在不久的將來(lái),CPU之間的數(shù)據(jù)互連帶寬將達(dá)到Tbit/s的量級(jí),然而基于金屬傳導(dǎo)的電互連技術(shù)在尺寸和功耗方面都不可能實(shí)現(xiàn)該需求,面臨著不可逾越的“電子瓶頸”�；诠韫庾訉W(xué)的光互連技術(shù)以光子為信息載體,不僅具有超高帶寬、超快傳輸速率、抗電磁干擾和低能耗等優(yōu)勢(shì),還使得超緊湊、高集成度的光子器件成為可能。具有波分復(fù)用功能的光子器件由于在單根光波導(dǎo)中能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的多路信號(hào)傳輸,是硅光子學(xué)光互連系統(tǒng)中非常重要的元件單元。本論文將主要研究基于硅納米線波導(dǎo)的波分復(fù)用器件：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。首先介紹了硅納米線波導(dǎo)中光傳輸?shù)幕拘再|(zhì)以及其制作工藝流程。由于硅芯層(nsi=3.48@1550nnm)和二氧化硅(nsio2=1.45)包層之間的高折射率差,使得光場(chǎng)被強(qiáng)限制在波導(dǎo)中,光在波導(dǎo)中傳輸?shù)膹澢霃娇梢孕〉?μm,大大降低了基于硅納米線波導(dǎo)的器件的尺寸,為高密度的光子集成提供了可能。但是,正是這種高折射率差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),使得硅納米線波導(dǎo)對(duì)工藝誤差引起的側(cè)壁粗糙非常敏感,并具有非常大的偏振相關(guān)性和溫度相關(guān)性。接著介紹了基于硅納米線波導(dǎo)的AWG的基本性質(zhì),給出了其分別做為路由器和復(fù)用/解復(fù)用器時(shí)的設(shè)計(jì)步驟以及如何利用半解析的形式來(lái)快速實(shí)現(xiàn)它的仿真,并分析了硅納米線AWG中損耗和串?dāng)_的主要來(lái)源。結(jié)合蝕刻衍射光柵和傳統(tǒng)AWG的結(jié)構(gòu)布局,并考慮到硅納米線波導(dǎo)本身的特質(zhì),提出了一種解決基于硅納米線波導(dǎo)的AWG的偏振相關(guān)性問(wèn)題的方法。重點(diǎn)介紹了該方法的原理和使用的結(jié)構(gòu),并給出了該方法在細(xì)波分復(fù)用(DWDM)和粗波分復(fù)用(CWDM)應(yīng)用下的設(shè)計(jì)步驟和仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)面向CWDDM光互連應(yīng)用的偏振補(bǔ)償?shù)墓杓{米線AWG,它具有5個(gè)通道且相鄰?fù)ǖ篱g距為20nm,測(cè)試得到它的最大偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移(PDλ)從理論分析的380-420 nm減小到了0.5-3.5 nm,相比于各通道的3dB帶寬值(約為12nm)較小。利用越級(jí)衍射的設(shè)計(jì)原理,我們?cè)赟OI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了具有尺寸大小僅為0.18×0.12mm2的AWG單纖三向復(fù)用器((triplexer)。初期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該AWG triplexer具有非常大的偏振相關(guān)性。利用本文提出的偏振補(bǔ)償方法和AWG triplexer在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用環(huán)境,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)適用于光網(wǎng)絡(luò)單元的偏振補(bǔ)償AWG triplexer,實(shí)驗(yàn)顯示它在149nm和1550nm通道的PDλ小于2.5 nm,對(duì)于ONU單元應(yīng)用來(lái)說(shuō),該值已經(jīng)非常小。雖然1310nm通道的PDλ很大,但它可以通過(guò)混合集成技術(shù)或者是保偏光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)和激光器的連接。最后我們研究了利用馬鞍形結(jié)構(gòu)的陣列波導(dǎo)布局并結(jié)合單模波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的混合組成方式來(lái)提高硅納米線AWG的性能,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)8×400G的馬鞍形結(jié)構(gòu)AWG,它的串?dāng)_優(yōu)于-18dB。同時(shí),基于馬鞍形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及結(jié)合具有高反射率的布拉格反射器(DBR),我們?cè)O(shè)計(jì)了基于硅納米線波導(dǎo)的具有超緊湊尺寸的反射式AWG,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了6×400G和20×200G的。
【關(guān)鍵詞】：光互連 硅光子學(xué) 波分復(fù)用 納米線波導(dǎo) 陣列波導(dǎo)光柵 雙折射 偏振相關(guān)波長(zhǎng)漂移 單纖三向復(fù)用器 布拉格反射器
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN252
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 緒論13-27
• 1.1 光子學(xué)及光互連的發(fā)展13-17
• 1.2 硅光子學(xué)17-22
• 1.2.1 各公司關(guān)于硅光子學(xué)光互連的研究進(jìn)展18-22
• 1.3 波分復(fù)用(WDM)22
• 1.4 硅納米線AWG22-24
• 1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)24-27
• 1.5.1 本論文的章節(jié)安排24-25
• 1.5.2 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)25-27
• 2. 基于絕緣體上硅材料的硅納米線光波導(dǎo)27-50
• 2.1 絕緣體上的硅材料27-30
• 2.1.1 硅納米線波導(dǎo)的引入27-28
• 2.1.2 為何選擇高折射率差波導(dǎo)結(jié)構(gòu)?28-30
• 2.2 硅納米線波導(dǎo)的基本特性及光傳輸30-47
• 2.2.1 硅納米線波導(dǎo)的仿真30-32
• 2.2.2 硅納米線平板波導(dǎo)32-34
• 2.2.3 硅納米線條形波導(dǎo)34-37
• 2.2.4 模場(chǎng)限制37-39
• 2.2.5 模場(chǎng)耦合39-40
• 2.2.6 光傳輸損耗40-43
• 2.2.7 彎曲損耗43
• 2.2.8 尺寸敏感性43-46
• 2.2.9 偏振相關(guān)性46
• 2.2.10 溫度相關(guān)性46-47
• 2.3 硅納米線波導(dǎo)的測(cè)試方法47-49
• 2.3.1 端面耦合48
• 2.3.2 垂直耦合48-49
• 2.4 小結(jié)49-50
• 3 硅納米線光波導(dǎo)的制作工藝50-59
• 3.1 主要使用設(shè)備介紹50-53
• 3.1.1 電子束光刻設(shè)備50-51
• 3.1.2 干法刻蝕設(shè)備51-52
• 3.1.3 薄膜沉積設(shè)備52-53
• 3.2 納米線光波導(dǎo)的工藝流程53-56
• 3.3 制作的納米線波導(dǎo)及結(jié)構(gòu)56
• 3.4 小結(jié)56-59
• 4 陣列波導(dǎo)光柵的基本理論、設(shè)計(jì)與仿真59-87
• 4.1 光學(xué)相移陣列59-66
• 4.1.1 衍射理論59-60
• 4.1.2 干涉理論60-63
• 4.1.3 相移陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射63-66
• 4.2 陣列波導(dǎo)光柵的基本參數(shù)66-75
• 4.2.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)67-71
• 4.2.2 性能表征參數(shù)71-75
• 4.3 陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計(jì)75-77
• 4.3.1 路由器的設(shè)計(jì)75-77
• 4.3.2 復(fù)用器/解復(fù)用器的設(shè)計(jì)77
• 4.4 陣列波導(dǎo)光柵的版圖設(shè)計(jì)77-79
• 4.4.1 三段式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)77-78
• 4.4.2 馬鞍形結(jié)構(gòu)78-79
• 4.5 陣列波導(dǎo)光柵的仿真79-86
• 4.5.1 波導(dǎo)模場(chǎng)80-81
• 4.5.2 星型耦合器中的光傳輸模型81-84
• 4.5.3 陣列波導(dǎo)中的光傳輸模型84-85
• 4.5.4 仿真結(jié)果85-86
• 4.6 小結(jié)86-87
• 5 基于硅納米線波導(dǎo)的偏振不敏感陣列波導(dǎo)光柵87-107
• 5.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀介紹87-92
• 5.2 偏振不敏感的陣列波導(dǎo)光柵的原理及設(shè)計(jì)92-101
• 5.2.1 原理分析92-95
• 5.2.2 版圖布局95-97
• 5.2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真97-101
• 5.3 偏振不敏感的陣列波導(dǎo)光柵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證101-106
• 5.4 小結(jié)106-107
• 6 基于硅納米線AWG的偏振補(bǔ)償?shù)膯卫w三向復(fù)用器107-124
• 6.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀107-110
• 6.2 triplexer在硅納米線AWG上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)110-116
• 6.2.1 越級(jí)衍射的基本原理及設(shè)計(jì)110-112
• 6.2.2 芯片的制作與測(cè)試112-116
• 6.3 偏振補(bǔ)償?shù)腁WG單纖三向復(fù)用器116-122
• 6.3.1 理論設(shè)計(jì)116-119
• 6.3.2 芯片制作與測(cè)試119-122
• 6.4 小結(jié)122-124
• 7 改進(jìn)型陣列波導(dǎo)光柵124-137
• 7.1 馬鞍形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AWG的原理及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證124-131
• 7.1.1 馬鞍形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AWG的發(fā)展歷程124-126
• 7.1.2 理論分析及設(shè)計(jì)126-130
• 7.1.3 芯片制作與測(cè)試130-131
• 7.2 反射式陣列波導(dǎo)光柵131-135
• 7.2.1 反射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及版圖布局132-135
• 7.2.2 芯片制作與測(cè)試135
• 7.3 小結(jié)135-137
• 8 總結(jié)與展望137-139
• 參考文獻(xiàn)139-150
• 作者簡(jiǎn)介150-151

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 周勤存;硅基二氧化硅陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器件的研究制作[D];浙江大學(xué);2004年

  本文關(guān)鍵詞：用于光互連的基于硅納米線波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)光柵的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：397214