SOI多模干涉耦合器研究

摘要

随着通信网络和集成光学器件需求的迅速发展,SOI光波导技术的应用前景越来越广。基于自映像效应的多模干涉(MMI)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。本论文从MMI耦合器的基本结构和工作原理出发,分析研究了MMI耦合器长度、宽度等参数对器件性能的影响。在普通MMI耦合器的基础上优化设计出一种新颖的SOI可调式2×2 MMI耦合器；模拟设计了一种基于多模干涉的解复用器,实现了1.30μm和1.55μm波长光信号的分离。 运用导模展开法分析了MMI耦合器的基本原理。推导出MMI耦合器的一般成像公式,并进一步分析了限制性成对干涉和对称干涉成像。运用有限差分束传输法(FD-BPM)研究了MMI耦合器中光波传播的特性,详细分析了旁轴和广角BPM;透明边界条件(TBC)和完美匹配层(PML)边界处理方法。 分析研究了SOI脊波导的结构性能。阐述了可调式MMI耦合器通过区域调制实现功率可调式输出的基本原理。研究了普通可调式2×2 MMI耦合器的结构以及工作原理。运用BPM模拟分析了多模波导的长度、宽度、中心波长等参数对器件性能的影响。模拟实现了调制不同调制区域实现任意功分比输出。 提出了一种具有创新意义的2×2可调式MMI耦合器结构。多模波导的输出端引入两个S形弯曲波导以减小多模波导末端的反射损耗,并在多模波导与输入输出波导接口处引入适当的锥结构以减小内部损耗。使用BPM模拟仿真,得到实现TE、TM模式偏振不相关的多模波导长度以及输出功率随多模波导输入输出端各个锥结构尺寸参数的变化曲线。最终确定最优化的可调式MMI耦合器结构。新颖的2×2可调式MMI耦合器提高了器件的性能,有效的减小了插入损耗和偏振相关性；有效提升了总输出功率,约达到归一化功率的0.8。通过模拟仿真,新颖的可调式MMI耦合器有效的增加了器件的输入输出波导横向制作容差,另外增加输入输出波导的宽度也能够增大器件的制作容差。 提出并设计了一种基于多模干涉的解复用器,实现了输入光信号中1.30μm波段交叉态输出,1.55μm波段直通态输出的功能。通过模拟仿真,得到TE模光信号实现分波的最佳多模波导长度；输出功率随多模波导两端锥结构尺寸参数的变化曲线。最终得到优化的多模干涉解复用器结构,1.30μm、1.55μm波段输出光功率均大于归一化功率的0.85。最后分析模拟了解复用器多模波导宽度、输入光中心波长以及输入输出波导的制作容差。

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声明

第一章 绪论

1.1 SOI发展现状

1.1.1 平面光波导材料

1.1.2 SOI波导结构及其应用

1.1.3 SOI工艺

1.1.4 SOI性能及应用

1.2 波导型多模干涉耦合器

1.3 三维多模干涉耦合器的研究进展

1.4 可调式多模干涉耦合器发展现状

1.4.1 几种多模波导结构

1.4.2 可调式多模干涉耦合器

1.5 本文的主要工作

第二章 多模干涉自映像原理及分析方法

2.1 普通干涉自镜像效应

2.1.1 导模展开法

2.1.2 普通MMI成像愿理

2.1.3 重叠MMI成像愿理

2.2 多模干涉耦合器分析方法：束传播法(BPM)

2.2.1 旁轴BPM

2.2.2 广角BPM

2.2.3 边界务件

2.3 小结

第三章 普通SOI可调式多模干涉耦合器

3.1 SOI波导结构

3.2 普通可调式多模干涉耦合器调制原理

3.2.1 实现可调式输出的原理

3.3 可调式多模干涉耦合器性能分析

3.3.1 参数与数值结果

3.4 小结

第四章 优化的可调式多模干涉耦合器

4.1 一种新颖的可调式多模干涉耦合器

4.1.1 新颖的可调式多模干涉耦合器结构

4.1.2 新颖的可调式多模干涉耦合器原理

4.2 新颖的可调式多模干涉耦合器的优化设计

4.2.1 降低TE、TM的偏振相关性

4.2.2 可调式多模干涉耦合器制作容差对比

4.3 小结

第五章 多模干涉解复用器

5.1 多模干涉解复用器研究

5.1.1 多模干涉解复用器原理

5.2 多模干涉解复用器的优化设计

5.3 多模干涉解复用器容差分析

5.4 小结

总结

参考文献

致谢