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光网络向着高速、大容量、智能化的全光网络方向发展,对光电子器件的集成度要求越来越高。强限制光波导是实现器件小型化的有效途径之一,其中SOI(Silicon OnInsulator)纳米线波导具有结构紧凑、集成度高、性能优越、制作工艺与CMOS工艺兼容等特点,是实现大规模集成光路芯片的理想甲台。基于SOI纳米线波导的微环谐振腔(Microring Resonator,MRR)结构是集成光路的重要组成单元,可以实现光无源/有源器件的众多功能,是当今研究的热点,有巨大的发展潜力。
本论文的主要工作是对基于SOI纳米线波导微环谐振腔的滤波器进行理论分析和实验研究。
(1)SOI纳米线波导的研究。
采用三维BPM算法计算了SOI纳米线波导的单模工作条件,分析了SOI纳米线波导的损耗问题,并采用三维FDTD算法对倒锥形耦合结构的模式匹配问题进行了模拟计算。
(2)微环谐振腔的研究。
利用散射矩阵法对基于单环和双环谐振腔结构的滤波器进行了理论分析。计算了微环谐振腔与直波导以及两个互耦合微环谐振腔之间的耦合系数变化情况,分析了在不同损耗、耦合系数及耦合结构时的滤波器的性能。在理论分析基础上,设计了基于单环的单通道滤波器、基于单环的五通道解复用器、基于单环的五通道上下载滤波器、基于双环的两通道上下载滤波器以及基于双环的四通道上下载滤波器。
(3)基于SOI微环谐振腔的滤波器的制作、测试与分析。
对SOI纳米线波导器件的制作分别采用电子束曝光以及深紫外光刻等工艺,并对相关工艺进行了总结和研究。制作出SOI纳米线波导、倒锥形耦合结构以及基于SOI微环谐振腔的滤波器,对器件性能进行测试和分析。
对单通道单环谐振腔滤波器(微环半径5μm,耦合间距gap=250nm)进行测试,得到在1550nm波长附近的自由光谱宽度为16.8nm,直通端口消光比12.1dB,下载端口消光比22.1dB。
对不同微环半径以及不同耦合距离的单环单通道滤波器进行测试,得到如下结论:滤波器的3dB带宽随耦合系数的增加而增大,自由光谱范围(Free Space Range,FSR)随微环半径的增大而减小。
对单通道单环谐振腔滤波器(微环半径5μm,耦合间距gap=250nm)进行热光调制,得到不同温度下的滤波谱线,当温度从21.4℃上升到60℃时,滤波谱线呈单调“红移”,温度“红移”系数约为0.12nm/℃,与理论值0.11 nm/℃吻合较好。
采用深紫外光刻工艺制作了不同波导截面尺寸的微环谐振腔滤波器,并对滤波器的性能进行测试,得出在波导宽度为450nm情况下滤波性能较好。
对五通道单环谐振腔解复用器进行测试,自由光谱范围17.44nm,相邻信通间隔依次为1.42nm、1.96nm、1.48nm、1.31nm,实现了较为均匀的通道间隔,相邻通道间最小串扰为.20.9dB,下载端口最大消光比为23.5dB,最小3dB带宽为0.75nm。
对五通道单环谐振腔上下载滤波器进行测试,自由光谱范围8.65nm,相邻通道间隔依次为1.18nm、1.05nm、0.28nm、0.68nm,未能实现均匀的通道间隔,相邻通道间最小串扰-15.7dB,下载端口最大消光比15.6dB,最小3dB带宽0.35nm。
对两通道双环谐振腔上下载滤波器进行测试,下载端口谐振峰具有很明显的平坦化效果。自由光谱范围14.84nm,相邻通道间隔为1.25nm,通道间串扰为-22.6dB,下载端口最大消光比为23.3dB,最大顶部平坦化带宽为0.5nm,最小3dB带宽为0.9nm。
对四通道双环谐振腔上下载滤波器进行测试,自由光谱范围15.09nm,相邻通道间隔依次为1.16nm、1.04nm、1.03nm;相邻通道间最小串扰为-13.3dB,下载端口最大消光比为28.1dB,最大谐振峰顶部平坦化带宽为0.75nm,最小3dB带宽为0.9nm。
通过分析单环谐振腔和双环谐振腔多通道上下载滤波器的滤波谱线,可以得到,在多通道滤波器中,光信号传输存在串扰,主要是不同通道之间的串扰,尤其是在信号上载时,会在相邻通道产生较大串扰。为改善这种串扰,可以通过增大通道间隔以及对各通道进行独立调制的方法来实现。