基于SOI的硅纳米线阵列波导光栅设计

摘要

阵列波导光栅(AWG)解调是一种新型光纤光栅(FBG)解调方法，可同时用于静态或动态信号的测量，有利于实现多点传感信号的准分布式测量。通过将解调系统包括光源、耦合器、AWG、光电探测器在内的异构集成可以实现解调系统的微型化、紧凑化。但是，传统的FBG解调用AWG体积较大，无法实现微系统集成，采用SOI晶片制备小尺寸、低损耗、低串扰的AWG使FBG解调系统异构集成为了可能。
　　 本文对硅纳米线AWG的设计和制备进行了研究，首先分析了AWG的结构组成，通过对衍射级数、相邻阵列波导的长度差、平板波导的焦距、自由光谱区的参数设计与模拟，基于光束传输法的传输理论，优化设计出了1×8硅纳米线AWG。该硅纳米线AWG为传统型AWG结构，波导宽度为0.35μm，器件尺寸仅为267μm×259μm。仿真结果表明，本文所优化设计的硅纳米线AWG的损耗仅为3.037 dB且串扰仅为10.658 dB，相比于同等微米级的AWG，损耗和串扰均有所减小。考虑到器件与光纤之间的耦合，本文设计了总长度为100μm，楔形波导部分为90μm，波导宽度由0.35μm渐变至6μm的模斑转换器，仿真分析了模斑转换器对光强效率传输的影响，解决了片上集成微系统中光波导与光纤的耦合问题。基于SOITECH公司顶层Si厚度为220 nm，掩埋SiO2厚度为2μm的SOI材料，通过新加坡微电子所的代工，利用电子束曝光及反应耦合等离子工艺，完成了硅纳米线AWG的制备。在掌握光传输耦合理论的基础上，对所制备完成的硅纳米线AWG进行了光学测试，采用光波导对准平台匹配光纤与光波导间的模场，由光源发出的光，通过模斑转换器耦合进入硅纳米AWG，观察光经过AWG传输后的光强及输出频谱的变化。实验结果表明，AWG的通光性良好，输出光谱与仿真输出光谱一致，适用于FBG解调系统。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．1．1 光纤光栅传感技术

1．1．2 光纤光栅传感解调研究现状

1．1．3 阵列波导光栅研究现状

1．2 论文的研究目的及意义

1．3 论文的主要研究内容及章节安排

第二章 阵列波导光栅原理及应用

2．1 阵列波导光栅基本原理

2．1．1 罗兰圆原理

2．1．2 光栅方程

2．1．3 角色散方程

2．2 阵列波导光栅基本功能

2．2．1 复用／解复用

2．2．2 波长路由

2．2．3 光插分复用

2．3 本章小结

第三章 阵列波导光栅的理论设计

3．1 光波导理论

3．1．1 矩形波导

3．1．2 弯曲波导

3．2 阵列波导光栅参数分析

3．2．1 波导尺寸及间距

3．2．2 阵列波导及I／O波导数

3．2．3 波导长度差及波导焦距

3．2．4 自由光谱区

3．3 阵列波导光栅性能参数

3．3．1 插入损耗

3．3．2 通道串扰

3．3．3 偏振相关损耗

3．3．4 温度相关性

3．4 本章小结

第四章 阵列波导光栅的数值模拟

4．1 阵列波导光栅模型的建立

4．1．1 有效折射率的计算

4．1．2 数值模型的建立

4．1．3 统计数据的监测与优化

4．2 1×8阵列波导光栅模拟分析

4．2．1 八输出通道模拟

4．2．2 1×8阵列波导光栅版图

4．3 本章小结

第五章 模斑转换器的设计

5．1 模斑转换器结构优化

5．2 模斑转换器数值模拟

5．3 本章小结

第六章 阵列波导光栅制备及测试

6．1 器件制备材料选择

6．1．1 传统的器件制备材料

6．1．2 SOI材料

6．2 器件工艺制作

6．2．1 SOI晶片的清洗

6．2．2 电子束曝光

6．2．3 反应耦合等离子体刻蚀

6．3 器件的光学测试

6．3．1 光波导的基本参数

6．3．2 光学性能测试实验平台

6．3．3 器件通光性测试

6．3．4 器件波分解复用测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢