基于平面光波導(dǎo)的耦合-干涉型集成器件的研究.pdf

1、建立在平面光波導(dǎo)技術(shù)之上的光器件，具有成本低、體積小、便于批量生產(chǎn)、穩(wěn)定性好及易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn)。目前，平面光波導(dǎo)集成光學(xué)元件已在通信、軍事、電力、天文、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。本文以基于平面光波導(dǎo)技術(shù)的耦合/干涉型光器件作為研究對(duì)象，在平面光波導(dǎo)的基本理論及設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一些新型的器件結(jié)構(gòu)，利用平面光波導(dǎo)工藝制作了一些器件并測(cè)試了其性能。 首先對(duì)平面光波導(dǎo)及其器件的模擬設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。分析了用

2、于求解光波導(dǎo)模場(chǎng)的解析方法，對(duì)傳統(tǒng)等效折射率方法進(jìn)行了改進(jìn)，從波動(dòng)方程出發(fā)，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了一維等效折射率分布的表達(dá)式，這種方法具有比傳統(tǒng)等效折射率方法更高的精度，而且不受波導(dǎo)截止條件的限制，并適用于任意的折射率分布結(jié)構(gòu)。對(duì)平面光波導(dǎo)器件設(shè)計(jì)中常用的數(shù)值方法包括有限差分法，束傳播法，時(shí)域有限差分等進(jìn)行了總結(jié)，給出了各種方法的基本原理，具體的求解步驟等，利用這些數(shù)值方法可以得到光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布，光波在器件中的傳播特性，器件的頻譜

3、特性等等。 然后分析了多模干涉耦合器垂直方向多模對(duì)器件的性能的影響，通過對(duì)輸入輸出波導(dǎo)進(jìn)行taper設(shè)計(jì)，可以減小垂直方向多模的激發(fā)，使得功分器的通道均勻性，損耗等性能都得到改善。提出了深刻蝕SiO2光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得SiO2波導(dǎo)在小的彎曲半徑下也能有比較小的彎曲損耗，分析了基于這種深刻蝕Si02波導(dǎo)的多模干涉耦合功分器，與基于傳統(tǒng)SiO2波導(dǎo)的多模干涉耦合功分器相比不僅具有較小的尺寸，同時(shí)性能也有很大的提高。 我們還提出

4、了幾種新的基于平面光波導(dǎo)的器件的實(shí)現(xiàn)方法。通過調(diào)整三明治波導(dǎo)中間層SixNy的折射率以及多模波導(dǎo)的尺寸，成功實(shí)現(xiàn)了偏振不敏感的1310/1550 nm波分(解)復(fù)用器。通過在多模干涉耦合器的多模區(qū)引入光子晶體結(jié)構(gòu)，利用光子晶體的偏振敏感特性(即在某個(gè)波段，對(duì)一個(gè)偏振反射，而對(duì)另外一個(gè)偏振則透射)，實(shí)現(xiàn)了帶寬很寬，尺寸超小的偏振分束器。利用光子晶體波導(dǎo)方向耦合器的解耦合特性，通過方向耦合器的級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)了單纖三向器件，模擬結(jié)果顯示，這種單纖

5、三向器件具有尺寸小，帶寬較大的特點(diǎn)。我們還總結(jié)了平面光波導(dǎo)器件的制作工藝流程，包括光刻技術(shù)(電子束曝光)，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，電感耦合型等離子刻蝕(ICP)等。通過優(yōu)化氣體配比，反應(yīng)功率等條件，得到了一組能提供小的表面粗糙度，高的垂直度的ICP工藝配方，同時(shí)還研究了ICP刻蝕中的遲滯效應(yīng)，并利用這種效應(yīng)制作了尺寸超小的方向耦合器。制作了光子晶體W3波導(dǎo)，光子晶體波導(dǎo)腔，利用End-Fire方法對(duì)其特性進(jìn)行了測(cè)試，分析和討論。最后還研