基于二维衍射理论与空间滤波原理的新型硅基无源光器件的研究

摘要

集成化是目前光波导器件发展的一个主要趋势，而硅基平台由于其具有高折射率差、尺寸小、集成度高以及与成熟的COMS工艺相兼容等一系列优点，因此被认为是最有前景的集成光子回路解决方案。目前已经有大量的无源光器件成功地在硅基平台上实现，尤其是应用最广泛的光波分复用器与光功率分束器。
　　本文分别提出了一种新型的平面光波导超多路光功率分束器以及一种新型的具有波分解复用和光功率合束双功能的混合器件。这两个器件的设计方案均是基于衍射光学中的波前干涉理论以及空间滤波原理。
　　新型的基于平面光波导的超多路光功率分束器主要采用衍射光学中的波前干涉理论以及空间滤波原理，将相位光栅的直流空间频率分量和各个交流空间频率分量在空间频谱面进行空间分离，并在空间频谱面对直流分量引入特定相移后，在输出平面将各阶空间频率分量再次叠加，使得每个周期内部分区域的输出场分布得到增强，其余区域的输出场分布得到抵消，从而实现超多路分束的效果。其设计方案新颖，不同于传统的光功率分束器，并且可以实现超多（如128路、256路、512路）的光功率分束以及分路数理论上可扩充性的优点。我们以基于SOI平台的256路的输出通道为例进行了具体的器件设计和计算模拟，其设计的结构整体尺寸约为1.2mm?5mm。经过数值模拟计算，对于工作波长0?=1550nm，我们得到的器件插入损耗为1.1dB，输出通道非均匀性为1.7dB。
　　新型的用于时分-波分复用无源光网络的具有波分解复用和光功率合束的双功能混合器件，其主要功能为：对于下行光信号传输，器件作为一个1×N的波分解复用器，实现分波的功能；对于上行光信号传输，器件主要作为一个N×1的光功率合束器。其设计方案新颖，结构设计主要是基于阵列波导光栅，并在其结构基础上做了相应改变，从而实现了波分解复用和功率合束的双功能。我们以基于SOI平台的32路的输出通道为例进行了具体的器件设计和计算模拟，其设计的结构整体尺寸约为900×25002?m。经过数值模拟计算，对于下行波分解复用，其插入损耗和相邻通道串扰分别为4.6dB和-16.3dB；对于上行光功率合束，其插入损耗和通道非均匀性分别为3.5dB和2.1dB。

目录

声明

1.绪论

1.1.光子集成器件的背景与现状

1.2.光功率分束器

1.3.光波分复用器

1.4.本文提出的设计方案及创新点

1.5.各章节概要

2.标量衍射理论及空间滤波原理

2.1.引言

2.2.基尔霍夫衍射理论

2.3.菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射

2.4.透镜的傅里叶变换性质

2.5.空间滤波原理

2.6.本章小结

3.光波导基本理论与数值仿真算法

3.1.引言

3.2.光波导电磁理论

3.3.光波导数值仿真算法

3.4.本章小结

4.一种新型的平面光波导超多路光功率分束器

4.1.引言

4.2.研究背景及应用意义

4.3.器件设计原理

4.4.器件具体设计

4.5.器件模拟仿真

4.6.带宽和容差性能分析

4.7.本章小结

5. 一种具有波分解复用和光功率合束的双功能混合器件

5.1.引言

5.2.研究背景及应用意义

5.3.阵列波导光栅的原理

5.4.器件设计原理

5.5.器件具体设计

5.6.器件模拟仿真

5.7.本章小结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文及专利目录