發(fā)布時(shí)間：2017-07-03 22:18

  本文關(guān)鍵詞：硅基PLC型無(wú)源光子集成器件理論與關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：隨著模分復(fù)用(MDM)技術(shù)的進(jìn)展,對(duì)平面光波光路(PLC)型無(wú)源光子集成光路(PIC)器件性能的要求越來(lái)越高。硅基PIC器件以其成本低廉、與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)占有重要地位。本文以硅上二氧化硅(SoS)和絕緣硅(SOI)無(wú)源PIC器件作為研究對(duì)象,深入分析影響器件性能的模式、傳輸以及關(guān)鍵元部件,提出、設(shè)計(jì)并研制PLC型無(wú)源PIC器件。第一章,首先綜述了MDM技術(shù)研究進(jìn)展,然后簡(jiǎn)要回顧了與MDM系統(tǒng)密切相關(guān)的PIC技術(shù)研究現(xiàn)狀,總結(jié)了光波導(dǎo)分析方法研究進(jìn)展,介紹了硅基光波導(dǎo)制備工藝和耦合技術(shù),最后給出了全文工作目標(biāo)與主要內(nèi)容。第二章,發(fā)現(xiàn)并定義了單模脊波導(dǎo)中存在著另一類(lèi)隱現(xiàn)疊加模(HS模)。采用等效折射率法(EIM)推導(dǎo)得出HS模的特征方程和模場(chǎng)分布函數(shù)�；谒⒌腍S-EIM分析模型以及全矢量有限元法(FV-FEM)仿真模型分析并對(duì)比了單模SoS脊波導(dǎo)中HS模的特性,發(fā)現(xiàn)HS模是導(dǎo)致脊波導(dǎo)模間串?dāng)_、模式跳變以及突發(fā)損耗等不穩(wěn)定性的主要因素,合適的激勵(lì)方式可降低HS模的影響。第三章,采用EIM與FV-FEM,確定了SoS光波導(dǎo)單模工作條件。探究了波導(dǎo)入/出端口、傳輸段以及分路部件中HS模演化過(guò)程及其與導(dǎo)波模的相互作用現(xiàn)象,找到抑制HS模的結(jié)構(gòu)與方法。提出并優(yōu)化設(shè)計(jì)了線性/非線性漸變波導(dǎo)、雙Taper型濾模器和新型正分/斜分單元,給出1×8/16/32光功分器優(yōu)化設(shè)計(jì)版圖。最后,探究了SoS光波導(dǎo)中的偏振相關(guān)問(wèn)題。第四章,提出了三種SoS-PLC型模式/偏振/波長(zhǎng)選擇器件,包括基于HS模多模干涉(HS-MMI)效應(yīng)的可調(diào)型耦合器、緩沖層嵌入柱體陣列型TE起偏器以及基于開(kāi)放臂結(jié)構(gòu)的單級(jí)/級(jí)聯(lián)可調(diào)馬赫-曾德(MZ)型濾波器�；�2D-FD-BPM進(jìn)行了性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。第五章,提出了三種硅基光子芯片與光纖耦合結(jié)構(gòu),包括三維疊加型光波導(dǎo)、正弦型光柵波導(dǎo)與階梯光柵型反射鏡結(jié)構(gòu)。采用FE-BPM分析了三類(lèi)結(jié)構(gòu)中的光波特性,給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。第六章,給出了SoS-PLC光波導(dǎo)工藝和PLC型無(wú)源光子器件測(cè)試方法。自主搭建了PLC型條狀/單一光子器件封裝測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)探究了單模脊波導(dǎo)中HS模式特性,驗(yàn)證了HS模是導(dǎo)致直脊單模波導(dǎo)模間串?dāng)_和模式跳變的起因。第七章,完成了對(duì)加工制備后的SoS-PLC型1×8/16/32光功分器的測(cè)試,獲得符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的第三方檢測(cè)合格報(bào)告。開(kāi)展了偏振相關(guān)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)研究。最后,測(cè)試分析了SoS-PLC型模式/波長(zhǎng)選擇器件的性能。
【關(guān)鍵詞】：模分復(fù)用(MDM) 光子集成光路(PIC) 平面光波光路(PLC) 隱現(xiàn)疊加模 光功分器 可調(diào)型光耦合器 可調(diào)MZ型濾波器 耦合結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN256
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 縮略詞表12-14
• 第一章 緒論14-40
• 1.1 模分復(fù)用技術(shù)14-18
• 1.1.1 模式復(fù)用/解復(fù)用15-16
• 1.1.2 模式激勵(lì)/轉(zhuǎn)換/放大16-18
• 1.1.3 MDM中的光纖結(jié)構(gòu)18
• 1.2 光子集成技術(shù)研究進(jìn)展18-23
• 1.2.1 光波導(dǎo)材料與集成方式19-20
• 1.2.2 單片集成技術(shù)20-21
• 1.2.3 混合集成技術(shù)21-22
• 1.2.4 三維立體集成22-23
• 1.3 光波導(dǎo)分析方法研究現(xiàn)狀23-26
• 1.3.1 解析法與半解析法23
• 1.3.2 數(shù)值分析方法23-25
• 1.3.2.1 FEM23-24
• 1.3.2.2 FE-BPM24-25
• 1.3.3 模式探究與抑制方法25-26
• 1.4 硅基光波導(dǎo)工藝技術(shù)進(jìn)展26-30
• 1.4.1 硅基光波導(dǎo)制備工藝進(jìn)展26-28
• 1.4.2 PLC型光波導(dǎo)耦合技術(shù)28-30
• 1.5 本論文主要研究?jī)?nèi)容30-31
• 參考文獻(xiàn)31-40
• 第二章 脊波導(dǎo)隱現(xiàn)疊加模理論分析40-64
• 2.1 HS模EIM分析模型40-53
• 2.1.1 脊波導(dǎo)HS模40-50
• 2.1.1.1 TE-HS模41-45
• 2.1.1.2 TM-HS模45-50
• 2.1.2 偏移激勵(lì)對(duì)HS模的影響50-53
• 2.2 HS模EIM分析與結(jié)果討論53-58
• 2.2.1 HS模疊加特性分析53-55
• 2.2.2 HS模與積分常數(shù)的關(guān)系55-56
• 2.2.3 HS模與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系56-58
• 2.3 HS模FEM分析與結(jié)果討論58-61
• 2.3.1 HS_(00)模特性分析58-60
• 2.3.2 HS_(10)模特性分析60-61
• 2.4 本章小結(jié)61-62
• 參考文獻(xiàn)62-64
• 第三章 SoS-PLC型光功分器優(yōu)化設(shè)計(jì)64-86
• 3.1 PLC型光功分器結(jié)構(gòu)及指標(biāo)64-65
• 3.2 單模波導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)65-67
• 3.2.1 波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)65
• 3.2.2 單模條件分析65-67
• 3.3 關(guān)鍵元部件中HS模分析與抑制67-79
• 3.3.1 入/出端口67-71
• 3.3.1.1 線性漸變波導(dǎo)68-69
• 3.3.1.2 非線性漸變波導(dǎo)69-71
• 3.3.2 模式濾除71-72
• 3.3.3 多級(jí)分路72-79
• 3.3.3.1 正分單元72-74
• 3.3.3.2 斜分單元74-79
• 3.4 偏振相關(guān)問(wèn)題分析79-81
• 3.4.1 刻蝕角度影響分析79-80
• 3.4.2 緩沖層裂紋影響分析80-81
• 3.5 SoS-PLC型光功分器優(yōu)化設(shè)計(jì)版圖81-84
• 3.5.1 SoS-PLC型1×8光功分器82
• 3.5.2 SoS-PLC型1×16光功分器82
• 3.5.3 SoS-PLC型1×32光功分器82-83
• 3.5.4 SoS-PLC型光功分器版圖83-84
• 3.6 本章小結(jié)84
• 參考文獻(xiàn)84-86
• 第四章 SoS-PLC型模式/偏振/波長(zhǎng)選擇器件分析與設(shè)計(jì)86-106
• 4.1 基于模式選擇效應(yīng)的可調(diào)型光耦合器設(shè)計(jì)86-89
• 4.1.1 可調(diào)型光耦合器結(jié)構(gòu)及原理86-87
• 4.1.2 可調(diào)型光耦合器仿真分析87-89
• 4.2 基于緩沖層嵌入柱體陣列的TE起偏器設(shè)計(jì)89-93
• 4.2.1 TE起偏器結(jié)構(gòu)及制備工藝89-90
• 4.2.2 TE起偏器優(yōu)化設(shè)計(jì)90-93
• 4.2.2.1 CABL-WG特性分析90-92
• 4.2.2.2 TE偏振態(tài)起偏器優(yōu)化92-93
• 4.3 單級(jí)/級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型濾波器設(shè)計(jì)93-100
• 4.3.1 單級(jí)可調(diào)MZ型濾波器設(shè)計(jì)94-98
• 4.3.1.1 單級(jí)可調(diào)MZ型濾波器結(jié)構(gòu)及原理94
• 4.3.1.2 基于線性材料臂的可調(diào)MZ型濾波器仿真設(shè)計(jì)94-96
• 4.3.1.3 基于非線性材料臂的可調(diào)MZ型濾波器仿真設(shè)計(jì)96-97
• 4.3.1.4 上下臂功率差對(duì)可調(diào)MZ型濾波器的影響分析97-98
• 4.3.2 級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型梳狀濾波器設(shè)計(jì)98-100
• 4.3.2.1 級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型梳狀濾波器結(jié)構(gòu)及原理98
• 4.3.2.2 級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型梳狀濾波器仿真設(shè)計(jì)98-100
• 4.4 SoS-PLC型無(wú)源光子器件晶圓版圖100-103
• 4.5 本章小結(jié)103-104
• 參考文獻(xiàn)104-106
• 第五章 硅基光子芯片耦合結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)106-120
• 5.1 三維疊加型光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)106-110
• 5.1.1 三維疊加型光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)及原理106-107
• 5.1.2 三維疊加型光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)107-110
• 5.1.2.1 模斑轉(zhuǎn)換器107-108
• 5.1.2.2 凹槽型周期結(jié)構(gòu)108
• 5.1.2.3 楔形光纖108-110
• 5.2 正弦型光柵耦合結(jié)構(gòu)110-115
• 5.2.1 布拉格條件110-112
• 5.2.2 正弦型光柵耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)112-115
• 5.3 階梯光柵型波導(dǎo)反射鏡115-119
• 5.3.1 階梯光柵型波導(dǎo)反射鏡結(jié)構(gòu)115-116
• 5.3.2 階梯光柵型波導(dǎo)反射鏡仿真分析116-117
• 5.3.3 階梯光柵型波導(dǎo)反射鏡制備工藝117-119
• 5.4 本章小結(jié)119
• 參考文獻(xiàn)119-120
• 第六章 SoS-PLC型無(wú)源光子器件制備及測(cè)試技術(shù)120-132
• 6.1 SoS-PLC光波導(dǎo)制備工藝120-121
• 6.2 PLC型無(wú)源光子器件測(cè)試方法121-125
• 6.2.1 插入損耗121-122
• 6.2.2 方向性122-123
• 6.2.3 均勻性123
• 6.2.4 偏振相關(guān)損耗123-124
• 6.2.5 回波損耗124-125
• 6.3 PLC型光子器件耦合封裝測(cè)試系統(tǒng)125-128
• 6.3.1 條狀光子芯片陣列測(cè)試平臺(tái)125-126
• 6.3.2 單一光子器件耦合封裝測(cè)試平臺(tái)126-127
• 6.3.3 耦合封裝工藝127-128
• 6.4 SoS-PLC光波導(dǎo)模式特性實(shí)驗(yàn)研究128-130
• 6.5 本章小結(jié)130
• 參考文獻(xiàn)130-132
• 第七章 SoS-PLC型光子芯片測(cè)試結(jié)果及分析132-148
• 7.1 PLC型光功分器測(cè)試與結(jié)果分析132-138
• 7.1.1 PLC型光功分器實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果132-137
• 7.1.2 江蘇省通信產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督站測(cè)試結(jié)果137-138
• 7.1.3 結(jié)果分析138
• 7.2 SoS-PLC型模式/波長(zhǎng)選擇光子器件測(cè)試與結(jié)果分析138-145
• 7.2.1 可調(diào)型光耦合器測(cè)試結(jié)果及分析139-142
• 7.2.1.1 錐形光纖制備139-140
• 7.2.1.2 可調(diào)型光耦合器測(cè)試結(jié)果140-142
• 7.2.2 單級(jí)/級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型濾波器測(cè)試結(jié)果142-145
• 7.2.2.1 單級(jí)可調(diào)MZ型濾波器測(cè)試142-143
• 7.2.2.2 級(jí)聯(lián)可調(diào)MZ型梳狀濾波器測(cè)試143-145
• 7.3 本章小結(jié)145-146
• 參考文獻(xiàn)146-148
• 結(jié)論及展望148-150
• 致謝150-152
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的科研成果及獲獎(jiǎng)情況152-156
• 攻讀學(xué)位期間的獲獎(jiǎng)情況152
• 已發(fā)表和錄用的期刊論文152
• 已發(fā)表和錄用的會(huì)議論文152-153
• 已投遞論文153
• 已授權(quán)發(fā)明專利153-154
• 已申請(qǐng)發(fā)明專利154-156
• 攻讀博士學(xué)位期間參加研究的項(xiàng)目156-158
• 附錄158-166
• 附錄A158-160
• 附錄B160-166
• 表格索引166-168
• 圖形索引168-173

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本文編號(hào)：515361