硅基二氧化硅单纤三向复用器设计制作及耦合封装研究

摘要

近年来，高速通信、家庭购物、实时远程教育、视频点播(VOD)、高清晰度电视(HDTV)等新型业务逐渐兴起，现有非对称用户线路(ADSL)接入方式的带宽很难满足这种日益增长的需求。光纤到户（Fiber-to-the-Home，简称FTTH）在带宽方面独具优势，且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，是一种理想的接入模式，并且是未来光纤通信系统解决“最后一公里”的最好方式之一。由于光纤到户系统和传统的长距离通信的标准不同，对光器件的要求也不同。例如，用于光纤到户接入网的光器件是在不受控制的环境中使用，因此必须具备可靠性高、结构紧凑的特征。此外，由于这些光器件是由单个用户独享（而非像长距离通信的光器件那样被广大用户共享），光器件成本必须足够低廉，方可被用户接受。因此，性能优越、成本低廉的光器件是实现光纤到户广泛应用的关键所在。本论文针对以上需求，从单纤三向波分复用器的实现方案以及耦合封装的关键技术等方面进行了比较深入的研究。本论文主要包括:
　　首先，本文对光通信领域的发展以及硅基二氧化硅单纤三向波分复用器在光纤到户接入网领域的重要作用及需求做了简要介绍和概括。介绍了近几年国内外研究者们在单纤三向波分复用器的研究，给出了各项研究的优缺点。
　　然后，详细介绍了一种基于级联型多模干涉耦合器的单纤三向波分复用器，对其采用多模干涉自成像原理进行理论分析，并且采用有限差分法进行模拟仿真。基于二氧化硅平面光波导技术，实验制作了单纤三向复用器，并对其特性进行了测试，结果显示对于1310nm、1490nm、1550nm波长的光，插入损耗分别为0.382dB、6.293dB、5.91dB，带宽分别为101nm、31nm、70 nm，消光比最高达到16dB，测试结果与理论仿真结果趋势一致，验证了该项技术的可行性。
　　我们还提出了一种硅基二氧化硅波导集成型V型槽及一种简单的实现方案.提出的硅基二氧化硅波导集成型V型槽在实现光波导与光纤耦合时，直接将光纤定位到集成在硅基二氧化硅光波导芯片上的V型槽中，无需采用外接式光纤阵列，大大简化了耦合过程，同时V型槽采用自对准工艺实现，与光波导的相对位置通过一步光刻定位，大大提高了对准精度。硅基二氧化硅波导集成型V型槽制作方法简便，定位精度高，耦合方式简便，满足光通信、集成光学等领域的实用要求。实验结果显示，耦合损耗达到0.75dB/端面。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 光纤到户接入网

1．3 二氧化硅平面光波导器件

1．4 论文章节安排及创新内容

2 光波导理论分析及常用数值求解方法

2．1 光波导基本理论

2．2 有限差分法求解波导的本征模

2．2．1 有限差分法求解波导的本征模

2．2．2 完美匹配边界条件

2．3 光束传播法(BPM)

3 基于级联MMI的硅基二氧化硅三向复用器

3．1 分析与设计

3．2 制作工艺

3．2．1 二氧化硅薄膜制备

3．2．2 光刻

3．2．3 刻蚀

3．2．4 硅基二氧化硅单纤三向波分复用器的制作工艺

3．3 测试

3．4 小结

4 用于耦合封装的V型槽

4．1 分析与设计

4．2 制作工艺

4．3 测试

4．4 小结

5 Y分支功分器

5．1 功分器的种类

5．2 功分器的主要技术参数

5．3 Y分支参数优化

5．4 Y分支工艺制作

6 总结及展望

参考文献

作者简历及硕士期间发表的论文