基于离子交换的玻璃基多模干涉型功分器研制

摘要

多模光纤在短距离通信和光互连中有广泛应用。多模的光功分器是多模通信中不可缺少的光无源器件。光功率分配器（简称光功分器），是一种光耦合器件。其功能是对传输的光信号进行功率再分配，在光通信系统、光纤用户网、光纤CATV、光无源网络(PON)、光局域网等网络中不可或缺。玻璃基的多模干涉型光功分器具有插入损耗低、均匀性好、工作带宽宽、结构紧凑、成本低、可靠性高等优点。
　　 以往多模的功分器一般用Y分叉结构，尺寸很大而且难以实现N×M的结构，特别是当级联多次后损耗加剧，因此对MMI结构的多模功分器的研究具有一定的理论和实用价值。
　　 论文首先采用离子交换工艺，对多模波导的制作和应用进行了探索。工艺过程一次交换采用银钠离子交换，二次交换采用无源的电场辅助交换。第一步通过控制银离子浓度和交换过程的温度与时间成功制作了宽度和深度可控的条波导。然后在此基础上利用软件采用3D-BPM的方法进行模拟并设计了Y分叉型和多模干涉型的1×2功分器以验证波导的制作工艺的可行性。经损耗测试，50微米窗口的条波导传输损耗可以达到小于0.28dB/cm，MMI功分器的插入损耗小于4.3dB。Y分叉型功分器插入损耗小于3.6dB，两种功分器的均匀性优于0.21dB。最后设计了Y分叉型和多模干涉型的1×4功分器，通过制作和器件测试得到了满意的结果。
　　 实验结果表明这种光波导制备技术参数可控，且重复性好，可用于低损耗光功分器件的制作。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 光通信发展现状

1.1.2 单模光纤和多模光纤

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 光网络用光无源器件的特点和类型

1.2.2 玻璃基离子交换的发展

1.2.3 多模干涉器件的发展

1.3 项目的研究内容和目标

1.3.1 项目的研究内容

1.3.2 研究目标

1.4 本项目的创新点与全文框架

1.4.1 创新点

1.4.2 全文框架

参考文献

2 玻璃基离子交换

2.1 离子交换技术的优势

2.2 离子交换技术基本原理

2.2.1 玻璃的结构

2.2.2 迁移机理

2.2.3 折射率变化

2.3 离子交换技术的特点与分类

2.3.1 按交换离子分类

2.3.2 干法交换和湿法交换

2.3.3 一次热交换、两次热交换、电场辅助离子交换

2.4 Ag+-Na+电场辅助离子交换流程

2.4.1 基片的清洗

2.4.2 铝膜的淀积

2.4.3 光刻

2.4.4 腐蚀和去胶

2.4.5 热扩散离子交换

2.4.6 电场辅助掩埋工艺

2.4.7 研磨与抛光

2.5 Ag+-Na+电场辅助离子交换的几个关键问题

2.5.1 玻璃基材料

2.5.2 掩埋深度对掩膜宽度的依赖

2.5.3 一次交换掩膜问题

参考文献

3 多模干涉器件

3.1 多模干涉原理

3.1.1 经典原理

3.1.2 导模传输分析法

3.1.3 多模干涉在渐变折射率中的特性

3.2 器件应用

3.2.1 1×N和N×N多模干涉耦合器

3.2.2 MMI型2波长波分复用器

3.2.3 MMI-MZI光开关

3.2.4 阵列波长复用器

参考文献

4 1×2和1×4功分器的设计和制作

4.1 功分器的结构

4.1.1 旁接波导结构

4.1.2 Taper结构

4.1.3 Slot结构

4.1.4 Y分叉的改进

4.2 1×2功分器结构的仿真

4.2.1 MMI型1×2功分器设计

4.2.2 Y分叉型1×2功分器设计

4.3 1×4功分器的设计

4.3.1 MMI型1×4功分器设计

4.3.2 Y分叉型1×4功分器设计

4.4 版图设计

4.4.1 1×2版图

4.4.2 1×4功分器版图

参考文献

5 功分器的测试结果和分析

5.1 工艺参数的确定

5.2 器件实验结果

5.3 结果分析

参考文献

6 论文总结和展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

作者简历