基于半波长间距的低串扰硅基波导阵列的设计及性能分析

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随着智能信息时代的快速发展,为解决未来高速、高容量的数据处理需求,硅基光子学由于与成熟的CMOS制造工艺具有良好的兼容性,已被大众认可作为一项有利于集成大规模光子电路的有效技术方案。因此,各种各样的硅基光子器件开始涌现。其中,硅基波导阵列作为最普遍的重要器件之一,被广泛应用到各种高性能的器件上,如片上多通道的光互连、(解)复用器、光学相控阵列等。然而,波导之间不可避免的串扰却大大阻碍了光子集成电路往更高容量密度的方向发展。尤其对于光学相控阵列来说,各波导发射器之间的串扰影响着其各自独立的相位和振幅的控制,导致其不能将各波导的间距控制在半波长而实现理想的180°转向范围。针对这些难题,本论文提出了一个超紧凑的基于半波长间距的低串扰硅基波导的设计方案,并对其性能作了详细的分析。首先,我们针对一个半波长间距的硅基双波导耦合系统,采用在波导之间不对称地放入两根细小的硅条带的方法,有效并显著地抑制了其中的串扰。接着,我们把两根硅条带在每个间隙中插入的相对位置依次翻转,将这个双波导结构拓展并构建了一个半波长间距的低串扰硅基波导阵列。耦合模理论表明,针对一个1mm长的该波导阵列,在1550nm波段,其注入波导TE模式的插损低至-0.13dB,而最近邻波导中的最大串扰仅-26.08dB。这些结果在数量上也与我们的数值仿真结果一致。此外,我们还考虑了实际应用中波导宽度变化带来的影响,发现这个半波长间距的波导阵列在抑制串扰的性能上具有良好的加工容忍度。最后,我们讨论了在弯曲情况下该阵列的串扰抑制效果,发现当弯曲半径大于100μm时,本文所提出的波导阵列抑制串扰的性能要明显优于传统的波导阵列。本论文所提出的这个基于半波长间距的低串扰硅基波导阵列为实现未来超高密度、低损耗的光子集成电路和大扫描范围的光学相控阵列提供了有力的参考方案。
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