单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究

摘要

光波导和单模光纤(SMF)的耦合是光波导器件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.模斑转换器(SSC)是解决模场失配问题的一种有效手段,已成为光波导器件的光波入/出口元件.本文首先从Maxwell方程组出发,系统总结了有限差分束传输法(FD-BPM),推导出基于慢变包络近似(SEVA)的三维时域有限差分束传输方程(FDTD-BPM),并进一步将交替隐式迭代法(ADIM)和综合道格拉斯格式(GD)应用于该方程,得到了具有较高稳定性和较高精度的的差分方程.同时,对激励源和边界条件的使用都作了较为详细的探讨.接着,本文基于FD-BPM深入研究了基于GaAs半导体材料的脊型光波导和单模光纤间SSC,分析了其中光波传输演变以及引起插入损耗的各种因素,如侧面边界、长度、大端宽度和厚度,以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数,分别确定了二维、三维锥形光波导模斑转换器、三维锥形光波导模斑转换器和过渡波导的最佳参数.对横向偏移与损耗增量的关系、SSC中的光波模式转换和光功率传输演变作了数值仿真,获得了最佳耦合点,对SSC的横向校准容差也作了详细的分析.最后,本文还将模斑转换器应用于平面光波导器件,进行了实验,并对器件作了检测和验证,获得了预期的结果.

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1光通信技术与光子器件的发展

1.1.1光网络和WDM技术

1.1.2用于WDM系统中的光子器件

1.1.3光子集成芯片技术和应用前景

1.2平面光波导件(PWDs,Planar Waveguide Devices)

1.2.1平面光波导器件(PWDs)种类和功能

1.2.2 PWDs材料

1.2.3平面光波导器件制作工艺

1.2.4测试和封装技术

1.3单模光纤和光波导的耦合连接

1.3.1影响单模光纤和光波导耦合连接的因素

1.3.2单模光纤和光波导耦合连接的实现方法

1.4模斑转换器的分类及目前研究状况

1.5本文主要工作

参考文献

第2章有限差分束传输法

2.1三维标量波动方程

2.2 FD-BPM

2.3 FDTD-BPM

2.4 GD-FDTD-BPM

2.4.1 2D-GD-FDTD-BPM

2.4.2 3D-GD-FDTD-BPM

2.4.3 GD格式和CN格式FDTD-BPM的精度对比

2.5激励和边界条件处理

2.5.1激励源的初始条件

2.5.2边界条件

2.6本章小结

参考文献

第3章脊形光波导锥形模斑转换器

3.1脊形光波导特性分析和结构的优化

3.1.1计算步长、参考折射率和高斯光束腰半径的选择

3.1.2脊高(h-t)、W和t值的确定

3.2T-SSC与单模光纤的耦合分析

3.2.1 单模光纤与SSC间的耦合

3.2.2单模光纤和光波导模场比较

3.2.3 T-SSC的几何模型

3.32D-T-SSC的模拟设计

3.3.1确定2D-T-SSC大端宽度（波导1宽度）W1

3.3.2 2D-T-SSC的不同侧面边界形式对耦合损耗的影响

3.3.3确定与2D-T-SSC相连的波导1长度e1

3.43D-T-SSC模拟设计

3.4.1确定3D-T-SSC大端的宽度W1和芯层厚度h1

3.4.2 3D-T-SSC的不同侧面边界形式对耦合损耗的影响

3.4.3确定与3D-T-SSC相连的波导1长度e1

3.4.4横向偏移和插入损耗的关系

3.5光纤与波导芯片连接耦合处的光波传输演变

3.5.1光功率传输演变

3.5.2光波模场的演变

3.6本章小结

参考文献

第4章模斑转换器的应用

4.1模斑转换器在平面分支波导中的应用

4.1.1 2D-T-SSC设计

4.1.2平面分支波导设计考虑

4.1.3模斑转换器在其他平面光波导器件中的应用

4.2制作加工

4.2.1 GaAs/GaAlAs外延层生长

4.2.2掩膜版图设计、制作和图形加工

4.2.3电极套制、芯片切割及安装

4.2.4在线加工测试

4.3测试结果及分析

4.3.1不同侧面边界的2D-T-SSC插入损耗对比

4.3.2两种Y型分路器性能对比

4.4尚需解决的问题和建议方案

4.5本章小结

参考文献

结束语

攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目

致谢