楔形单模光纤与半导体MQW-PLC器件连接耦合技术的研究

摘要

半导体多量子阱平面光波光路器件(MQW-PLCs)和单模光纤的耦合是MQW-PLCs研制过程中的关键技术之一。影响其有效耦合的主要因素是模场失配。楔形单模光纤(WS-SMF)是解决单模光纤与MQW-PLCs出射的椭圆光场失配问题的一种有效手段。 本文首先推导并建立了分析二维渐变光纤的二维阶梯串联方法(2D-SCM)，获得了各区域模场分布和传播特性。在此基础上，建立了基于等效矩形波导的三维有效折射率阶梯串联法(EIM-SCM)模型，获得三维WS-SMF不同横截面出场分布和光波传输图景，从而得到比用BPM数值分析的结果更加精细和准确的WS-SMF出射场。接着，提出使用WS-SMF可以实现与带有2D-T-SSC的波导芯片的高效耦合，为MQW-PLC各类器件提供了可行的2D-模斑转换单元：建立了WS-SMF和半导体MQW光波导芯片耦合的射线理论分析和数值分析模型，优化了WS-SMF的结构参数：讨论了WS-SMF纵向，水平和垂直失配容差与耦合损耗的关系。最后，建立了WS-SMF测试系统，实验测出WS-SMF的工作距离和出射光斑尺寸，与理论和数值分析结果一致，从而证实所建立分析模型的正确性：建立了MQW-PLC器件裸片与WS-SMF精确耦合装置和光学特性测试系统，对2×2光栅型MQW滤波器进行了实验研究，获得其电吸收和滤波效应，达到预期结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1光信号处理与平面光波光路器件(PLCs)

1.1.1光通信网络的发展需求

1.1.2光计算机的发展

1.1.3平面光波光路器件(PLCs)

1.2半导体多量子阱(MQW)平面光波光路器件的发展

1.2.1半导体MQW材料的物理性能

1.2.2半导体MQW光波导材料结构

1.2.3封装和测试技术

1.2.4单模光纤与半导体MQW-PLCs的耦合连接

1.3透镜光纤的分类及目前研究状况

1.3.1圆形端面透镜光纤

1.3.2楔形端面透镜光纤

1.4本文工作简介

1.4.1 PLCs器件耦合封装过程中存在的问题

1.4.2本文研究意义

1.4.3本文主要内容

参考文献

第2章特殊结构光波导分析

2.1有效折射率法(EIM)

2.2束传输法(Beam Propagation Method,BPM)

2.3阶梯串联法(Staircase Concatenation Method,SCM)

2.3.1基本原理

2.3.2结果分析

2.4小结

参考文献

第3章楔形单模光纤EIM-SCM分析

3.1 WS-SMF结构和理论分析模型

3.1.1 WS-SMF模拟结构图

3.1.2等效矩形波导近似

3.1.3 3D-SCM分析

3.2数值模拟和结果分析

3.2.1数值模拟方法

3.2.2结果分析

3.3小结

参考文献

第4章WS-SMF与半导体MQW-PLCs芯片连接耦合分析

4.1半导体MQW脊波导特性分析

4.1.1半导体MQW脊波导的结构

4.1.2二维半导体MQW脊波导锥形模斑转换器(2D-T-SSC)

4.2 WS-SMF与PLCs芯片的耦合分析

4.2.1射线理论分析

4.2.2数值分析

4.3小结

参考文献

第5章PLCs与WS-SMF连接耦合测试系统

5.1 PLCs芯片的设计及制作

5.2 WS-SMF实验研究

5.2.1制作加工

5.2.2 WS-SMF出射光场测试

5.2.3 WS-SMF工作距离测定

5.3 InP/InGaAsP多量子阱－PLC器件的测试

5.3.1 WS-SMF与PLCs器件芯片耦合装置

5.3.2 PLCs器件主要测试仪器和元件

5.3.3测试结果

5.3.4测试系统的误差分析

5.4小结

参考文献

结束语

攻读硕士学位期间完成的学术论文及参加的科研项目

致谢