硅基亚波长结构功率/偏振分束器研究

摘要

当前，片上光互连技术受到广泛重视，有望成为突破传统电互连瓶颈问题的热门技术。在构建高性能片上光互连系统中，硅基光子集成回路（PICs）具有高折射率差与兼容CMOS制造工艺等优点，利于实现密集集成，从而满足高速、大容量光信息处理系统的发展需求。光功分器与偏振分束器是构建PICs两类基础器件，前者用以实现光功率的多路分配，后者用以实现不同偏振态的高效分离。本文旨在提出并设计基于硅基亚波长光栅（SWG）结构的光功分器与偏振分束器，优化器件结构参数并给出其制作容差，为构建密集集成PICs提供参考器件。 论文首先综述了PICs的发展，简单介绍了硅基光子学的关键问题、制作工艺、发展发向以及面临的挑战；详细介绍了光功分器与偏振分束器在国内外的发展现状，描述了硅基片上无源光器件的主要性能指标。 其次，介绍了两种常用的器件数值分析及设计优化方法并对亚波长光栅进行详细分析：采用频域有限差分法（FDFD）分析亚波长光栅波导截面的模式特性，时域有限差分法（FDTD）分析亚波长光栅波导的传输特性，总结发现亚波长光栅的折射率可调性、衍射抑制、反射抑制作用，利用这些特性可设计新型高性能硅基无源光器件。 然后，基于对亚波长光栅结构的分析，提出并分析了一种硅基亚波长光栅波导的偏振不敏感型光功分器，在传统的锥型（taper）及反锥型（inverse-taper）硅基波导上嵌入亚波长光栅结构，实现偏振不敏感传输。器件具有超紧凑、易制造、低损耗的特点，并且其低损耗工作带宽可覆盖光通信的全波段（O、E、S、C、L、U波段），可应用于光调制器、光开关、光传感等硅基有源器件。 接着，提出并分析了一种基于氮化硅-硅（Silicon Nitride-on-Silicon）平台的超紧凑型偏振分束器，在硅底层采用亚波长光栅结构将入射TE模耦合到相邻波导并使其弯曲波导输出，而入射TM模在上氮化硅层传输并直接输出，两个模式在不同分隔层中传输且互不影响，从而实现偏振分束。同时，该器件的耦合长度仅为2.7μm，这使得该器件在构建高效及高集成度的偏振分集方案中具有很强的应用潜力。 再者，提出并详细分析了一种TE通过及TM截止的硅基超紧凑型光功分器，采用亚波长光栅多模波导与分段混合等离子垂直槽波导（HPHSWs），实现功率均分与偏振选择两个功能集成于单个器件，利于构建大规模密集集成PICs。数值结果表明，该器件可同时获得低损耗的功率均分（TE模）和高效的模式截止（TM模）：在1.55μm的工作波长下，入射TE模功率均分的插入损耗为0.28dB，入射TM模截止的消光比为19.73dB，TE模与TM模的反射损耗分别为-28.13dB与-19.69dB。 最后，给出了全文总结及后续工作展望。

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