微納尺度硅基無源光子集成器件及片上混合復用傳輸技術(shù)研究.pdf

1、信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得人們對通信網(wǎng)絡、高速互連、信息處理及數(shù)據(jù)存儲有著更高要求，高速度、大容量、低功耗、低成本是各類通信網(wǎng)絡及信號處理系統(tǒng)的發(fā)展方向。硅基光子集成器件的研制與標準CMOS工藝兼容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、功耗低、成本低等諸多優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)各類光子器件的高密度集成，形成硅基光子集成回路(PICs)，在片上光通信、光互連、數(shù)據(jù)中心及高性能計算等方面有著重大應用潛力。然而，高折射率差硅基材料系能夠有效縮小光子器件尺寸，但同時

2、引入顯著偏振相關(guān)性，需進行高效偏振控制，以擴大硅基材料系的適用范圍。另外，模式轉(zhuǎn)換、光功率多路分配、PICs中的波導交叉、及以此為基礎形成的硅基片上混合復用傳輸技術(shù)是當前硅光子學的研究熱點。本論文圍繞上述問題，開展相關(guān)研究工作。
　　第一章首先簡要回顧了硅光子學的發(fā)展歷程，重點介紹了常用硅基無源光子集成器件（如模式轉(zhuǎn)換器、光功分器、波導交叉器、偏振控制器）及硅基片上混合復用傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀，描述了光子集成器件的主要性能指標，最后

3、總結(jié)了本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點。
　　第二章介紹了本論文涉及的光波導及其器件數(shù)值分析及優(yōu)化設計方法，如頻域有限差分法、有限元法、束傳播法及時域有限差分法，并對它們的基本原理、計算過程、適用范圍、邊界條件等進行了論述。
　　第三章提出了一種新型硅基條形波導-槽波導模式轉(zhuǎn)換器。采用亞波長光柵波導構(gòu)建多模干涉區(qū)與taper型過渡區(qū)，基于亞波長光柵多模干涉效應，多模波導末端將產(chǎn)生輸入光場的二重像并進一步轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵霾鄄▽Ｊ?，器件總長

4、度為4.3μm，工作帶寬可覆蓋光通信的全波段。
　　在第三章模式轉(zhuǎn)換研究的基礎上，第四章提出了一種偏振不敏感型條形波導-槽波導功分器。通過在用于功率均分的多模波導中央位置嵌入反向taper型亞波長光柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了偏振不敏感型傳輸，器件多模區(qū)長度僅為1.92μm且性能優(yōu)異，可直接用于硅基槽式光調(diào)制器的研究。
　　第五章針對平面密集PICs中不可避免的波導交叉問題，開展了槽波導十字交叉器及混合波導十字交叉器的研究。采用了工作帶寬

5、大、制作容差高的多模波導作為波導交叉核心部件，為獲得較好的器件性能，本文進行了詳細地結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化并給出了優(yōu)化設計結(jié)果。此外波導交叉的研究可進一步向著超緊湊、多功能、多類型波導交叉器的方向繼續(xù)推進。
　　第六章開展了硅基偏振控制器的系統(tǒng)研究，主要圍繞偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器、偏振分束-旋轉(zhuǎn)器及起偏器這四類偏振控制器展開。提出了三種緊湊型偏振分束器，分別為基于非對稱多模波導型槽波導偏振分束器、基于亞波長光柵波導型偏振分束器與基于非對稱三

6、波導定向耦合型偏振分束器;提出了兩種偏振旋轉(zhuǎn)器，分別為基于各向異性槽波導偏振旋轉(zhuǎn)器與基于混合等離子體效應槽波導偏振旋轉(zhuǎn)器;提出了兩種超緊湊型偏振分束-旋轉(zhuǎn)器，分別為集成型槽波導偏振分束-旋轉(zhuǎn)器與基于部分刻蝕亞波長光柵波導型偏振分束-旋轉(zhuǎn)器;同時也提出了兩種起偏器，分別為基于垂直耦合型槽波導起偏器與基于透明導電氧化物式波導起偏器。對于上述器件，本論文均進行了詳細地器件設計及優(yōu)化分析并給出了器件關(guān)鍵參數(shù)的制作容差，所獲器件性能及尺寸具有較明