硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器研究.pdf

1、為了滿足數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，多種復(fù)用技術(shù)被提出，如波分復(fù)用(WDM)、偏振復(fù)用(PDM)、模分復(fù)用(MDM)技術(shù)等，它們極大地?cái)U(kuò)充了片上光通信系統(tǒng)的傳輸容量。同時(shí)，復(fù)用技術(shù)的革新需要配套的集成光路(PIC)的發(fā)展，其中硅基PIC具有高折射率差與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，尤其受到重視。另外，模分復(fù)用技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，而模階數(shù)轉(zhuǎn)換器(MOC)是其中的核心器件。本文旨在提出并設(shè)計(jì)硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器，分析其性能并給出

2、關(guān)鍵參數(shù)的制作容差，可望應(yīng)用于硅基片上模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。
　　論文首先從光通信傳輸容量的需求與光子集成技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，簡(jiǎn)單介紹了光通信技術(shù)與集成工藝的發(fā)展以及面臨的挑戰(zhàn);詳細(xì)介紹了MOC在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，從原理角度對(duì)其進(jìn)行了歸類與討論。
　　接著，從麥克斯韋方程組出發(fā)，介紹了兩種常用的理論數(shù)值分析方法:頻域有限差分法(FDFD)與時(shí)域有限差分法(FDTD)。詳細(xì)介紹FDFD法分析波導(dǎo)截面模式的原理及FDTD法分析光子器件光

3、波傳輸特性的原理。采用FDFD方法，詳細(xì)分析了槽波導(dǎo)的模式特性，發(fā)現(xiàn)槽波導(dǎo)可以將光場(chǎng)強(qiáng)烈限制在低折射率槽區(qū)，利用這一特性可以研制各類新穎的光子學(xué)器件。
　　然后，采用不同的槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，分別提出了一種基于TE偏振態(tài)的干涉型MOC及一種基于TM偏振態(tài)的相位調(diào)制型MOC。分析結(jié)果表明，在1.55μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，兩種MOC分別基于不同的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)了基模轉(zhuǎn)換為一階模之功能，轉(zhuǎn)換效率分別為83.5％與67.4％。另外，討論了Y分支波導(dǎo)夾角以及

4、單波導(dǎo)間折角帶來的插入損耗;基于自成像原理，提出了一種基于TM偏振態(tài)的多模干涉(MMI)型MOC，實(shí)現(xiàn)quasi-TM從基模轉(zhuǎn)換為一階模的功能，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效率為92.3％。詳細(xì)分析了多模波導(dǎo)中的自成像效應(yīng)，介紹了設(shè)計(jì)整個(gè)MOC的過程并給出相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過3D-FDTD法，給出相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與插入損耗與輸出端口串?dāng)_的關(guān)系曲線圖，并討論了最優(yōu)值與制作容差;另外，進(jìn)一步提出了一種多槽波導(dǎo)的MMI型MOC，實(shí)現(xiàn)了基于TM偏振態(tài)的基模轉(zhuǎn)