基于硅线波导的AWG的设计及仿真

摘要

Internet对网络带宽日益增长的要求为波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)器件和系统创造了一个快速增长的市场，许多不同的技术和工艺可用来实现波分复用/解复用器件，与其它类型的复用/解复用器相比，阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)具有介入损耗小，串音低，可靠性高，加工要求较低，器件尺寸小的优点。而基于平面光波导回路(Planar LightwaveCircuit，PLC)技术的AWG是构建超大容量波分复用系统的核心器件，是近年来光纤通信技术的一个重要研究领域。为了适应未来光网络系统对经济型多功能光学器件的需求，减小各种功能型的光学器件的尺寸并对其进行集成成为关键。光学器件的尺寸减小了，同样会使该器件的功能损耗比一般尺寸的器件降低。要进一步提高芯片的集成度和运行速度，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前在材料方面重点推动的绝缘体上的硅SOI等，被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一。 以SOI材料为衬底的Si线波导，是利用全内反射的原理将光波能量集中在高折射率的夹层内实现导波功能的，因此单模传输时芯区的尺寸可小于1um，弯曲半径可达到几微米。 本文中，AWG的设计是基于Si线波导的，光波导的芯区折射率为3.46，SiO2层的折射率为1.45，包层折射率为1.5，该光波导的芯区和包层的折射率差Δ>40％，从而使弯曲光波导的曲率半径可以取很小的值。为保证波导在波长λ=1550nm附近满足单模条件，Si芯的厚度为0.32um，宽度为0.45um，SiO2层的厚度为1um。结合有限差分法，利用APSS软件进行计算仿真，仿真结果表明，当取弯曲波导的曲率半径为2mm时，弯曲损耗小于0.001 dB。在我们的设计中，所有的波导弯曲曲率半径均应大于2mm。 在AWG的设计过程中采用了渐变过渡区来降低其插入损耗，以1550nm波长为例，从仿真数据中知，无过渡区时该AWG的插入损耗值最小为-6.208dB，而采用过渡区后该AWG的插入损耗值降为-1.565dB，插入损耗得到了明显地改善。可以采用这一简单有效的方法，在平板波导与输入/输出波导及阵列波导之间加入过渡区，可以减小导模光场的发散，不增加器件的制作难度，并且能够大大降低AWG的插入损耗。1550/1625 nm型波分复用器常用在光缆线路自动监测系统中，本文设计了一种光缆线路自动监测系统中的1×2阵列波导光栅波分复用器，对应两波长分别为1550nm、1625nm，其尺寸仅为117×217um2，远小于目前技术较成熟的硅基SiO2 AWG的尺寸。可使未来光缆线路自动监测系统中1550/1625 nm型波分复用器高度集成，通过优化波导排布结构等，可使设计的AWG更紧凑。 论文最后对相关工作进行了简单的总结，对未来的工作进行了初步的展望。

目录

论文说明：缩略词

声明

第一章绪论

1.1 AWG器件的设计

1.2基于SOI的Si线波导

1.3论文选题及意义

1.4论文结构安排

第二章AWG的基本原理及设计

2.1 AWG的基本原理

2.1.1 AWG的基本结构及原理

2.1.2 AWG的重要特性

2.2 AWG的研究进展

2.2.1小尺寸AWG

2.2.2多信道、大规模AWG

2.3 AWG的性能改进

2.3.1降低损耗

2.3.2减小串扰

2.3.3降低偏振敏感性

2.3.4降低温度相关性

2.4 AWG的设计方法

2.4.1设计参数

2.4.2 AWG的整体设计方法

2.4.3 AWG的版图设计

2.5 小结

第三章硅光子学、SOI材料及Si线波导

3.1硅光子学

3.1.1硅光子学产生的背景

3.1.2硅光子学中的主要研究领域

3.1.3硅光子学中存在的问题

3.1.4硅光子学的未来发展

3.2 SOI材料

3.2.1 SOI材料的产生背景

3.2.2 SOI材料的优点

3.2.3 SOI的应用领域

3.2.4 SOI材料的研究进展

3.3硅线波导

3.3.1硅线波导的结构

3.3.2光斑尺寸转换器

3.3.3制作

3.3.4传输特性

3.4 小结

第四章基于硅线波导的AWG的设计及仿真

4.1 APSS软件综述

4.2基于平面光波导的三重波分复用器的仿真

4.2.1材料和波导的选择

4.2.2粗WDM

4.2.3密集WDM

4.2.4电路的集成

4.3器件的设计

4.3.1光波导的设计及基本参数

4.3.2渐变过渡区降低插入损耗

4.3.3楔形波导的损耗分析

4.3.4基于硅线波导的AWG的设计及仿真

4.4小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的文章