透镜光纤与平面光波光路芯片的耦合技术研究

摘要

平面光波光路(PLC)集成芯片将在光信号处理、光通信、光子系统设备中得到广泛应用,耦合封装是PLC集成芯片研发的技术关键。影响耦合效率的主要因素为光纤与PLC芯片模场失配和折射率失配。优化设计合适的楔形透镜光纤且在PLC芯片端面镀抗反射膜,是降低PLC芯片耦合损耗的有效手段。 本文首先利用束传播法(BPM)数值分析了楔形透镜光纤在楔端内部的传输光场和出射光场,并通过实验测得楔形透镜光纤的出射光斑,验证了理论的结果,确立了楔形透镜光纤一定出射距离处的光斑形状和尺寸。接着,讨论了楔形透镜光纤的制作工艺,并对目前广泛应用在光子芯片耦合封装中的金属化光纤进行了分析,发现金属包层对光纤基模场没有影响。然后,从减小PLC芯片端面反射损耗的角度出发,设计出芯片端面抗反射膜；根据实际耦合条件建立了楔形透镜光纤与PLC芯片的耦合模型,基于时域有限差分(FDTD)法,优化模拟出最佳耦合参量,包括楔形光纤透镜曲率半径、透镜楔角与耦合距离等。最后,在本实验室先进测试平台的基础上,构建实验系统,对不同的楔形透镜光纤与PLC芯片进行耦合试验研究,得出最合适的耦合方案,透镜曲率半径为5um、楔角为50°的楔形光纤与InP基PLC芯片的耦合距离为5.5um时,耦合效率最大,该结果与数值模拟结果一致。

目录

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声明

第一章绪论

1.1 集成平面光波光路器件研究进展

1.1.1 光通信网络技术现状

1.1.2 平面光波光路芯片与光电子集成器件

1.2 半导体平面光波光路(PLC)芯片

1.2.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱型PLC芯片研究进展

1.2.2 硅基PLC芯片研究进展

1.3 透镜光纤在平面光波光路(PLC)芯片耦合封装中的应用

1.4 本文主要工作

参考文献

第二章透镜光纤研究

2.1 楔形透镜光纤的模场特性分析

2.1.1 三维光束传播法(3D-BPM)分析

2.1.2 出射模场测试分析

2.2 透镜光纤的制作工艺

2.2.1 研磨抛光法

2.2.2 腐蚀法

2.2.3 熔融拉锥法

2.3 金属化透镜光纤

2.3.1 金属化透镜光纤的模式理论分析

2.3.2 金属化透镜光纤的实验分析

2.3.3 金属化透镜光纤的分析结论

2.4 本章小结

参考文献

第三章透镜光纤与平面光波光路芯片的耦合技术

3.1 耦合模型

3.1.1 模型建立

3.1.2 数值模拟

3.2 优化设计

3.2.1 楔形透镜光纤与多量子阱(MQW)型PLC芯片的耦合

3.2.2 楔形透镜光纤与硅基(SOI)型PLC芯片的耦合

3.3 本章小结

参考文献

第四章楔形透镜光纤与多量子阱型PLC芯片耦合实验

4.1 实验系统建立

4.2 耦合实验

4.2.1 不同曲率半径楔形透镜光纤的比较

4.2.2 不同楔角楔形透镜光纤的比较

4.2.3 不同耦合距离的比较

4.3 本章小结

第五章全文总结

5.1 本文总结

5.2 下一步的工作展望

在学期间发表的学术论文和参加的科研项目

致谢