SOI多模干涉型马赫-曾德光开关机理研究

摘要

光电子器件的发展与应用推动着光通信系统的进步,SOI(Silicon on insulator)光波导技术具有优异的电学和光学性能,并且与成熟的硅基CMOS工艺完全兼容,是发展低成本光子集成回路的重要趋势之一。光耦合器和光开关都是密集波分复用(DWDM)光通信系统中必不可少的关键器件。基于自镜像效应(SIE)的多模干涉(MMI)波导型光耦合器具有结构紧凑、插入损耗低、频带宽、制作工艺简单等优点,日益得到重视。本文围绕基于SOI单模脊形光波导结构的MMI耦合器、光微环谐振器和马赫-曾德光开关展开研究工作。 本文首先对光耦合器、微环谐振结构和SOI技术的基本概念、国外国内外的研究现状、发展趋势和应用前景做了简单的介绍。分析比较了几种主要数值计算方法：光束传播法(Beam Propagation Method,BPM)、时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)、有效折射率法(Effective Refractive Index Method,EIM)等。 然后介绍了单模SOI脊形光波导结构的相关理论,同时结合有效折射率方法设计出满足单模传输的SOI光波导结构参数,并利用BPM对设计的波导进行理论验证,其结果表明所设计的波导结构合理可行。接下来概述了多模干涉自镜像效应的原理和研究方法,分别分析了普通多模干涉自镜像效应和重叠多模干涉自镜像效应,设计并优化了两种2×2多模干涉耦合器：1)多模区长、宽分别为41.8μm、6μm,插入损耗0.110dB,分光比为0.49:0.49的3dB型耦合器；2)多模区长、宽分别为88.5μm、4μm,插入损耗0.058dB,分光比为0.83:0.12的85:15型耦合器。 在上述分析设计的基础上开展了基于MMI耦合器的光微环谐振腔的研究,并对波导谐振环模型多个参数进行了仿真模拟,得出了一系列输出端口光功率的变化规律。同时,应用FDTD算法模拟了SOI材料的折射率细微变化所引起的谐振波长偏移性能,以及谐振波长偏移量随折射率变化量的曲线关系,总结出了微环各参数对微环谐振性能以及一些参数的影响(如FSR、FWHM等)。最后,提出了带微环谐振结构的马赫-曾德光开关,采用FDTD模拟分析了微环调制区引入折射率变化所引起的光开关输出端口光功率的改变：未加调制时输出端口光功率分别为0.21和0.33,开关工作在交叉态；当微环调制区引入0.001折射率变化后,输出端口光功率分别为0.50和0.21,开关工作在直通态。

目录

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第一章绪论

1.1波导型光耦合器

1.2微环谐振结构及其在光开关/调制器中的应用

1.3制作光子器件的主要材料

1.4 SOI技术的应用及发展现状

1.4.1 SOI材料制备工艺

1.4.2 SOI在集成光电子方面的应用

1.5本论文的主要工作

第二章理论分析方法

2.1光束传播法(BPIW)

2.1.1 BPM算法概述

2.1.2 BPM算法理论原理

2.2时域有限差分法(FDTD)

2.2.1 FDTD算法概述

2.2.2 FDTD算法理论原理

2.2.3吸收边界条件

2.3有效折射率法(EIM)

2.4本章小结

第三章SOI脊形光波导分析

3.1 SOI脊形光波导单模条件理论分析

3.2 SOI单模脊形光波导模拟设计与分析

3.3 SOI脊形光波导的损耗特性分析

3.3.1 SOI脊形波导的传输损耗

3.3.2 SOI脊形波导的其它损耗

3.4本章小结

第四章SOI多模干涉耦合器的分析与优化设计

4.1多模干涉自镜像效应

4.2 2×2 SOI多模干涉耦合器的波导结构及仿真条件

4.3 3dB型MMI耦合器模拟设计与分析

4.3.1器件结构与工作原理

4.3.2优化设计

4.3.3最终参数与数值结果

4.4 85：15型MMI耦合器模拟设计与分析

4.4.1器件结构与工作原理

4.4.2优化设计

4.4.3最终参数与数值结果

4.5本章小结

第五章带微环结构的马赫-曾德尔光开关的优化设计

5.1谐振腔中的光波

5.1.1 基本定义和概念

5.1.2耦合谐振腔

5.1.3谐振腔与波导的耦合

5.2基于多模干涉耦合器的光微环谐振腔

5.2.1波导结构及仿真条件

5.2.2基于多模干涉耦合器的微环模型设计

5.2.3数值模拟与分析

5.3带微环谐振结构的马赫-曾德尔光开关

5.3.1马赫-曾德尔光开关概述

5.3.2基于光微环谐振腔的马赫-曾德尔光开关模型设计

5.3.3数值模拟与分析

5.4本章小结

结束语

参考文献

致 谢