硅基紧凑式模阶数转换器研究

摘要

为了满足数据中心和超级计算机不断增长的带宽需求，多种复用技术被提出，如波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)、模分复用(MDM)技术等，它们极大地扩充了片上光通信系统的传输容量。同时，复用技术的革新需要配套的集成光路(PIC)的发展，其中硅基PIC具有高折射率差与CMOS工艺兼容等优点，尤其受到重视。另外，模分复用技术已成为当前研究热点，而模阶数转换器(MOC)是其中的核心器件。本文旨在提出并设计硅基紧凑式模阶数转换器，分析其性能并给出关键参数的制作容差，可望应用于硅基片上模分复用传输系统。
　　论文首先从光通信传输容量的需求与光子集成技术的发展出发，简单介绍了光通信技术与集成工艺的发展以及面临的挑战;详细介绍了MOC在国内外的发展现状，从原理角度对其进行了归类与讨论。
　　接着，从麦克斯韦方程组出发，介绍了两种常用的理论数值分析方法:频域有限差分法(FDFD)与时域有限差分法(FDTD)。详细介绍FDFD法分析波导截面模式的原理及FDTD法分析光子器件光波传输特性的原理。采用FDFD方法，详细分析了槽波导的模式特性，发现槽波导可以将光场强烈限制在低折射率槽区，利用这一特性可以研制各类新颖的光子学器件。
　　然后，采用不同的槽波导结构，分别提出了一种基于TE偏振态的干涉型MOC及一种基于TM偏振态的相位调制型MOC。分析结果表明，在1.55μm波长范围内，两种MOC分别基于不同的偏振态实现了基模转换为一阶模之功能，转换效率分别为83.5％与67.4％。另外，讨论了Y分支波导夹角以及单波导间折角带来的插入损耗;基于自成像原理，提出了一种基于TM偏振态的多模干涉(MMI)型MOC，实现quasi-TM从基模转换为一阶模的功能，经过参数优化，转换效率为92.3％。详细分析了多模波导中的自成像效应，介绍了设计整个MOC的过程并给出相关的结构参数，通过3D-FDTD法，给出相关结构参数与插入损耗与输出端口串扰的关系曲线图，并讨论了最优值与制作容差;另外，进一步提出了一种多槽波导的MMI型MOC，实现了基于TM偏振态的基模转换为一阶模的功能，转换效率达到91％。详细分析了多槽波导的模式特性，给出了槽区受限因子与功率密度与槽厚度的关系，给出了槽厚度与插入损耗、串扰之间的关系曲线，并给出了输入/输出端口的光模场。
　　最后，给出了全文总结及展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 干涉型MOC

1．2．2 多模干涉型MOC

1．2．3 锥形多模干涉型MOC

1．2．4 分支波导型

1．2．5 光子晶体型MOC

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文组织结构

第二章 槽波导理论分析与仿真结果

2．1 理论数值方法

2．1．1 FDTD原理及应用

2．1．2 FDFD原理及应用

2．2 槽波导结构

2．2．1 槽波导结构简介及基本性质

2．2．2 槽波导数值分析结果

2．3 本章小结

第三章 干涉型与相位调制型模阶数转换器

3．1 基于TE偏振态的干涉型MOC的结构及原理

3．2 设计与仿真

3．3 基于TM偏振态的相位调制型MOC的结构及原理

3．4 设计及仿真

3．5 本章小结

第四章 多模干涉型模阶数转换器

4．1 自成像效应

4．2 单槽波导结构多模干涉型MOC

4．2．1 多模干涉型MOC的结构及原理

4．2．2 设计与仿真

4．2．3 小结

4．3 多槽波导结构多模干涉型模阶数转换器

4．3．1 多槽波导的结构及原理

4．3．2 多槽波导数值分析结果

4．3．3 多槽波导结构的MMI型MOC结构及原理

4．3．4 设计与仿真

4．3．5 小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

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