SOI硅基串联对称三环光微谐振/滤波器的设计与实现

摘要

微环结构作为光路中一种结构简单紧凑，功能多样化的基本单元，已成为构建全光通信的重要模块。最初以单环为基础的谐振/滤波特性研究已经被扩展，产生了利用多个微环多级级联获得高阶滤波的方法。谐振特性对波长非常敏感，由于微环结构上的原因，对工艺带来了较高要求，要求对环形波导和耦合区进行合理设计及精确制作。
　　 论文主要内容如下：
　　 (1)在脊型波导理论分析的基础上，提出了一种近似亚微米级小截面脊型光波导单模条件。在单模条件下，公式推导了脊型波导内脊宽度w的显式、内脊高度H的表达式以及外脊高度h与波导宽度w关系式。在脊型波导的初次设计中，可利用第二章推导的公式简洁有效的设计。
　　 (2)本文为单环、串联双环以及串联三环结构建立数学模型，公式推导了单环、双环、三环的输入输出传输函数显式，并通过显式计算了耦合系数七的范围(这两个步骤使得后续仿真部分不再盲目试验)。第三章通过计算分析串联对称三环光微谐振/滤波器主通道与下路通道光谱振幅与光强输出方程，分析了主通道谐振点、消光比、3dB带宽等滤波特性，并讨论了微环损耗对其滤波特性的影响。分析表明，串联对称三环光微环谐振器结构对损耗系数及耦合系数变化表现比单环结构与双环结构更为稳定，具有较好的带宽特性，可作为宽带滤波的选择方案，第三章篇末设计了串联对称三环光微谐振/环滤波器的主要参数。
　　 (3)第四章应用耦合模理论得到下述判断：由数学分析可知，直接使用耦合模理论计算波导与波导之间的耦合系数是相当困难的。所以，用计算推导的方法得到耦合距离与耦合系数的关系式也非常困难。在分析了微环脊型波导耦合过程之后，用软件仿真的方法确定耦合距离gap的大小。
　　 (4)串联三环结构设计中，通过对三环结构的尺寸设计，结合数值计算和仿真试验，给出按照w、k、gap的顺序的通用设计方法，使得此类设计问题有较为有效的设计方法可循。第五章理论上得到下述设计参数：直波导和环间的耦合系数k1=0.4；环与环间耦合系数k2=0.07。在实际工艺下结合仿真结果确定直波导与环间耦合距离0.25μm及环波导间耦合距离0.25μm。环半径10μm为预先设定的尺寸(这是考虑器件小型化的要求及弯曲半径对损耗影响后的结果)。