硅基二氧化硅型陣列波導光柵的研制.pdf

1、平面光波導集成器件是光電子研究領(lǐng)域的一個重要分支。硅基二氧化硅平面光波導技術(shù)是上世紀末發(fā)展起來的一項新的集成光子器件技術(shù)，由于它具有與硅微電子工藝兼容、與二氧化硅光纖模式匹配等優(yōu)勢，受到人們的廣泛關(guān)注，特別是基于硅基二氧化硅的陣列波導光柵（AWG：Array waveguide gratings）器件，具有其它復用/解復用器不可比擬的優(yōu)勢，如易集成、可批量、波長間隔小等，是當前國內(nèi)外研發(fā)的熱門領(lǐng)域之一。本文從理論、設計、制作工藝和測試方

2、面對硅基二氧化硅波導AWG進行了系統(tǒng)研究，得到了一些有價值的結(jié)論。為國產(chǎn)AWG器件的走向?qū)嵱没峁┝艘欢ǖ睦碚摵蛯嶒灮A(chǔ)。 作者利用麥克斯韋方程對平板波導進行分析，得到模場的分布和有效折射率。在此基礎(chǔ)上，應用有效折射率方法（EIM：Effective Index Method）對條形波導進行研究。采用光束傳輸方法（BPM：Beam Propagation Method）對波導的傳輸性能進行模擬。利用BPM結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)方法研究了圓

3、弧波導的有效折射率與彎曲半徑的關(guān)系，探討了圓弧波導與直波導的耦合損耗，為進一步的研究其他波導結(jié)構(gòu)和指導以后的實驗打下基礎(chǔ)。 偏振相關(guān)損耗（PDL：Polarization Dependent Loss）是影響波導器件實際應用的一個重要指標，它是由于波導中的熱應力引起的。作者利用多層膜的應力與應變理論對波導芯層和整個波導結(jié)構(gòu)進行了分析，推導了熱應力和應變的解析表達式，揭示了波導合成材料對應力應變的影響，對了解和分析波導器件的偏振相

4、關(guān)特性具有很好的理論價值。 本文全面系統(tǒng)地介紹了AWG器件的基本原理、性能指標及參數(shù)定義。基于模式耦合提出了AWG光譜響應理論模型，可以用來精確估算并優(yōu)化AWG的歸一化光譜，并提出了一種陣列波導的排列方法，可以比較容易實現(xiàn)陣列波導的排列。 針對光網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，即骨干網(wǎng)向高密度大容量方向發(fā)展，需要多通道波長間隔小且?guī)?nèi)平坦的復用/解復用器；而城域網(wǎng)和接入網(wǎng)向多波長低成本拓展光纖帶寬方向發(fā)展，需要低通道數(shù)大通道間隔的復用/解復用器

5、。本文設計并優(yōu)化了兩種不同的AWG結(jié)構(gòu)，一個是平坦型40通道100GHz間隔AWG，另外一個是8通道2500GHz間隔AWG。并針對各自的問題，如40通道AWG帶內(nèi)皺波，超大頻率間隔AWG陣列波導難以排列的問題，分別提出了相應的解決辦法，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化模擬。 系統(tǒng)地探索了整個硅基二氧化硅波導制作工藝問題。特別是針對波導折射率的控制、波導刻蝕工藝模型、刻蝕掩膜優(yōu)化、退火工藝改善波導性能等方面進行了大量的實驗，并提出了一些具有創(chuàng)