新型Y分支波导结构及其相关功能元件研究

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Y分支波导是集成光子器件中一种非常重要的单元器件,它有非常广泛的应用,如波导干涉仪、调制器、模数转换器、光开光、光功分器等。从结构上划分,Y分支波导可以分为对称型和非对称型。以Y分支波导为基本单元所构成的光功率分束器是实现集成光子系统性能不可替代的器件,它可将光功率按预定的比例分配给两个或两个以上的输出设备。通常,光功率分束器可由无机和有机材料制作。聚合物材料具有很多独特的特性,因而针对以有机聚合物为材料的功能器件的研究和开发,近年来受到人们的极大关注和重视。本文从光波导基本理论出发,介绍了有限差分光束传播法(FD-BPM)的理论推导。接着分析了有机聚合物脊形波导的单模条件,可以通过选择适当的脊宽、内脊高和外脊高来实现。计算出当波导的脊宽为6μm、内脊高为3μm和外脊高为2.5μm时,对于TM模和TE模都满足单模传输条件。然后基于全内反射原理,设计了新型对称型Y分支结构,并采用调整分支臂相对于波导轴线的横向偏移量和调整波导两分支的偏转角这两种方式,设计了非对称Y分支波导结构。利用有限差分光束传播法对波导器件光学性能进行模拟,得出优化的结构参数。采用前一种方式的非对称Y分支结构能够实现任意分束比输出;采用后一种方式的非对称Y分支结构具有输出损耗低,工艺制作容差好的优点。在此基础上,分别利用对称Y型分支波导与非对称型Y分支波导,设计出1×N型分束器结构。模拟分析中,以1×4分束器为例,通过对波导参数的合理选择实现了分束器四个输出的均匀输出,四个端口输出的均分性差别不大于0.45dB。最后,根据所设计的波导结构及优化的结构参数,实验中制备了1×2、1×4光波导样品。为了检验波导样品光学特性,搭建了测试平台对其输出功率进行了测试。测试实验表明,其光学性能和设计及模拟分析结果比较符合。
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