【摘 要】
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随着CMOS工艺特征尺寸的减小,传统电互连技术在带宽和功耗上的缺点日益凸显,芯片的性能因此受到制约。近年来,硅基光集成器件由于其超小的尺寸,超低的损耗以及与传统CMOS工艺兼容等优势,在光互连、光通信等领域发挥着越来越重要的作用。而光功分器是对光信号进行分配和合成的最基本器件之一,也是构成其他复杂光学器件的重要组成部分。因此,本文利用硅基光电子技术的优势,着重对片上集成型光功分器进行研究,主要内容
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随着CMOS工艺特征尺寸的减小,传统电互连技术在带宽和功耗上的缺点日益凸显,芯片的性能因此受到制约。近年来,硅基光集成器件由于其超小的尺寸,超低的损耗以及与传统CMOS工艺兼容等优势,在光互连、光通信等领域发挥着越来越重要的作用。而光功分器是对光信号进行分配和合成的最基本器件之一,也是构成其他复杂光学器件的重要组成部分。因此,本文利用硅基光电子技术的优势,着重对片上集成型光功分器进行研究,主要内容与创新之处如下所述:1、提出一种紧凑、低损耗、高均匀性的多模干涉型光功分器。所提出的器件由多模干涉区和锥形波导组成。利用自镜像原理,在多模波导中,激发的导模相互干涉而形成一个或多个复制的镜像从而实现功率分配。同时利用粒子群算法和时域有限差分方法优化锥形波导的结构参数。测试结果表明:1×4、1×8光功分器的长度为分别为36μm和47.8μm;在1520-1624 nm波段范围内,1×4光功分器均匀性小于0.89 d B,最大插入损耗为0.62 d B;在1519-1623 nm波段范围内,1×8光功分器均匀性小于0.83 d B,最大插入损耗为0.64 d B。2、提出一种紧凑、低损耗、偏振不敏感的定向耦合器型光功分器,其中,所设计的定向耦合器由上下对称、级联锥形的硅波导组成。利用粒子群算法和时域有限差分方法优化级联锥形硅波导的结构参数,实现功率均分以及偏振不敏感功能。实验结果表明:1×3偏振不敏感光功分器的耦合长度为7.3μm;当器件工作在1550 nm时,输入TE0和TM0模式时,测得器件的插入损耗分别为0.068 d B和0.62 d B。在1525-1575 nm的带宽内,输入TE0模式时,测得的插入损耗低于0.82 d B,均匀性小于1 d B;在1528-1582 nm的带宽内,输入TM0模式时,测得的插入损耗小于1.50 d B,均匀性小于的1 d B。3、提出一种紧凑、低损耗、可扩展的多模光功分器。所设计的器件采用级联对称定向耦合器结构,根据模式匹配原理,将高阶模式转换成两束功率相等的基模,再通过输出波导将基模转换回来,从而可实现支持多模、光功率均匀分配功能。利用粒子群算法和时域有限差分方法优化级联定向耦合器的结构参数,从而实现结构紧凑、高性能的多模光功分器。仿真结果表明:所设计的器件长度为120μm;当工作波长为1550 nm时,输入TE0-TE4五种模式,器件所对应的插入损耗分别为0.05 d B、0.06 d B、0.07 d B、0.10 d B和0.09 d B;相应的串扰分别为-30.77 d B、-28.76 d B、-27.66 d B、-29.69 d B和-28.27 d B。在1500-1600 nm带宽内,输入TE0-TE4模式时,器件的插入损耗低于0.45 d B,串扰小于-23.00 d B。
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