基于MMI的橢圓型SOI結(jié)構(gòu)波導(dǎo)交叉單元研究.pdf

1、微納光子集成技術(shù)的迅猛發(fā)展對單芯片上器件的集成度、功能、性能等提出了更高的要求，這使得單個光器件具有更小尺寸，單個芯片上集成更多功能的器件。因此，負(fù)責(zé)器件互連的波導(dǎo)交叉單元能否具備微型化的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的損耗和串?dāng)_性能，將直接影響整個集成光路的質(zhì)量。同時，SOI(Silicon On Isolator)材料作為光集成研究的熱門材料其具有的高折射率差可以更好的將光信號束縛在波導(dǎo)中減小散射損耗的影響，且具備與CMOS技術(shù)的兼容性、器件結(jié)構(gòu)微型化

2、等優(yōu)點(diǎn)。令人遺憾的是，SOI大的芯/包層折射率差使光波導(dǎo)模的空間角很大，經(jīng)過波導(dǎo)交叉處時側(cè)向約束消失進(jìn)而產(chǎn)生顯著的散射，兩者之間的矛盾阻礙了光子集成器件發(fā)展。通常，SOI光波導(dǎo)單次直接交叉的損耗和串?dāng)_分別為1～1.4dB和-15～-10dB，而大量交叉互連產(chǎn)生的損耗和串?dāng)_對單芯片而言顯然難以接受。為解決上述問題，作者以MMI的自成像特性為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、低損耗、低串?dāng)_的SOI波導(dǎo)交叉單元，在整個1500nm到1600

3、nm的通信波段都具有良好的損耗和串?dāng)_性能，有望在未來的集成光路中得到廣泛的運(yùn)用。
　　本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)分析了傳統(tǒng)SOI脊形十字光波導(dǎo)的單模條件，得出不同刻蝕深度和脊寬條件下的單模區(qū)間，并對其光場分布和傳輸特性進(jìn)行了COMSOL仿真。得出了適用于SOI脊形波導(dǎo)的等效折射率降維方法。
　　(2)結(jié)合矩形MMI耦合器自成像的理論分析，構(gòu)建了基于MMI的矩形波導(dǎo)交叉單元并使用COMSOL進(jìn)行仿真，在尺寸為

4、13.2μm×13.2μm的情況下單次傳輸效率為95.419％(約0.18dB的損耗)，串?dāng)_約為-44dB。
　　(3)構(gòu)建了低損耗的錐形結(jié)構(gòu)模式匹配器，分析了錐形模式匹配器的結(jié)構(gòu)尺寸變化對MMI波導(dǎo)自成像特性和整個器件性能的影響并找出最優(yōu)尺寸。
　　(4)提出了基于MMI的橢圓型SOI結(jié)構(gòu)波導(dǎo)交叉單元的理論分析方法和通用于兩種主流光子集成光路(連接的波導(dǎo)寬分別為0.45μm和0.5μm)的波導(dǎo)交叉單元的完整設(shè)計(jì)方案。通過C