硅基热光调谐型器件的设计与仿真研究

摘要

当前，集成光子器件和技术广泛应用于通信、信号处理、传感领域。由于绝缘层上硅(Silicon on insulator, SOI)易与CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)工艺兼容，并且具有尺寸紧凑、损耗低等优点，因而硅基光器件和芯片成为集成光子学领域的研究热点，例如硅基光栅、光开关及光分插复用器等。与此同时，随着各种网络、业务、数据传输向着灵活重构、智能化的方向发展，固定性能参数的硅基光器件在应用上受到了很大限制。因此，探索和研发可调谐硅基光器件逐渐为国内外研究人员所关注。　　本文利用SOI光波导的特性及热光效应，设计和研究了热光调谐型波导啁啾光栅、光开关、以及光分插复用器，实现了硅基波导器件的参数调谐，并进行了仿真验证。论文的主要工作如下：　　(1)基于脊波导和热光效应，设计了一种热调谐硅基啁啾波导光栅。在结构上，侧壁刻蚀的波导光栅通过改变波导的脊宽引入啁啾系数，形成了一定带宽范围内的群时延斜率。在调谐上，采用均匀热调谐提高光栅的有效折射率，使光栅的波长及群时延发生偏移，实现波长及群时延的调谐；采用梯度热调谐补偿光栅的部分有效折射率，改变光栅前后端的反射波长，实现带宽的调谐。仿真结果表明：均匀热调谐条件下反射中心波长的调谐范围为1560.7~1561.9nm，群时延的调谐范围为0~38ps；梯度热调谐条件下反射带宽的调谐范围为1~1.5nm。　　(2)基于多模干涉耦合器和热光效应，设计了一种热调谐硅基多模干涉光开关。一方面，利用多模波导的自映像效应，优化耦合器尺寸，并在其固定端口输出光信号。另一方面，通过加热影响多模波导单边调制区域的有效折射率，改变干涉区域的相位信息，实现可调谐光开关功能。仿真结果表明：多模干涉光开关在热调谐下可以实现输出端口的切换，插入损耗在2dB以内，串扰最低为-22.67dB，开关上升和下降响应时间分别为~0.6和~0.4?s。　　(3)基于马赫曾德尔干涉仪和热调谐波导光栅，设计了一种热调谐硅基光分插复用器，利用波导光栅对波长进行选择和信号上载或下载。同时，利用加热改变光栅的反射波长，实现可重构波长的分插功能。仿真结果表明：在热调谐效率为0.1nm/mW时，加热功率由0增加至80mW，获得了波长分别为1560.2nm、1562.2nm、1564.2nm、1566.2nm、1568.2nm五个分插通道。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景、意义及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 可调谐硅基波导光栅

1.2.2 可调谐硅基光开关

1.2.3 可调谐硅基光分插复用器

1.3论文的结构安排

第2 章 硅基波导的理论分析及热光效应

2.1 硅基波导结构基本特性

2.2 硅基波导分析方法

2.2.1 耦合模式理论

2.2.2 传输矩阵法

2.2.3 本征模展开法

2.3.1 热光效应

2.3.2 热光调谐

2.4 本章小结

第3 章热光调谐硅基啁啾波导光栅

3.1 硅基啁啾光栅结构

3.1.1 理论分析

3.1.2 结构设计

3.2 热调谐啁啾波导光栅

3.2.1 热调谐结构设计

3.2.2 波长与时延调谐

3.2.3 带宽调谐

3.3 本章小结

第4 章 热光调谐硅基多模干涉光开关

4.1 MMI 耦合器设计

4.2 2?2热调谐MMI 光开关设计

4.2.1 MMI热调谐原理

4.2.2 热调谐MMI光开关仿真

4.3 本章小结

第5 章热光调谐硅基光分插复用器

5.1.1 均匀波导光栅

5.1.2 热调谐均匀波导光栅

5.2 热调谐的光分插复用器设计

5.2.1 热调谐OADM结构

5.2.2 仿真结果

5.3 本章小结

结论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文