刻蝕衍射光柵波分復用器仿真與優(yōu)化設計.pdf

1、在光通訊網(wǎng)絡里，隨著波分復用技術的使用，可獲得的信息容量迅速增加。波分復用器.解復用器是波分復用網(wǎng)絡里最關鍵、最核心的器件。而這其中基于平面波導集成技術設計制作的刻蝕衍射光柵器件，由于具有結構緊湊、光譜性能優(yōu)異等顯著優(yōu)勢，成為其中具有廣泛應用潛力的一種。然而由于器件采用了凹面結構，且光柵周期可變，從而使得對這樣的器件精確計算和設計非常困難，特別在此前研究中一直不能對該類器件偏振特性進行有效分析。 本論文首先對使用不同光柵結構的刻

2、蝕衍射光柵器件基于電磁理論做了精確的仿真模擬。采用對鍍金屬光柵和全內反射光柵都適用的邊界元方法，精確分析了器件結構參數(shù)對損耗、偏振相關損耗、串擾、回波損耗、色散等關鍵性能的影響，探討了器件損耗和偏振相關損耗的起源；而對鍍金屬光柵，又提出了更高效的矩量法做仿真分析，并對特定的性能要求給出了器件結構參數(shù)確定的方法；對全內反射光柵則在考慮了Goos-Hanchen位移和齒面有限尺寸影響后對標量算法進行修正，提出了快速又精確的分析方法，該方法使

3、用簡單的解析推導，既能取得與邊界元算法接近的計算精度，又可以對計算結果給予滿意的物理解釋。 出于改進器件性能的要求，論文提出了許多新穎的器件改進設計方法，這主要包括： (1)平頂?shù)蜕⒖涛g衍射光柵設計：在輸入波導末端加上一段帶有預整形輸入的多模干涉區(qū)，用優(yōu)化設計的預整形結構來讓頻譜具有陡峭的邊緣，通過基因算法來優(yōu)化拋物線形多模干涉區(qū)結構，獲得了頻譜高平坦(有效帶寬比接近85％)、低帶通紋波(接近0dB)、低色散(低于3p

4、s/nm)的刻蝕衍射光柵設計。 (2)低偏振相關損耗設計：靠讓光柵陰影面具有適當?shù)拇植诙?，可以在很大波長范圍內設計具有低于0.2dB的偏振相關損耗的刻蝕衍射光柵?？孔尮鈻啪哂泻线m的圓角半徑或陰影面傾斜度，可以設計在中心波長附近一定帶寬內具有低偏振相關損耗的刻蝕衍射光柵。 (3)低串擾設計：在每個輸出波導前端引入兩個結構優(yōu)化的空氣槽，以此來對兩相鄰波長在該通道處的旁瓣場分布作強烈共振散射，卻對工作波長場分布有小的影響。這樣

5、可以大大抑制相鄰通道旁瓣影響，設計串擾50dB以下的刻蝕衍射光柵器件。 (4)低回波損耗設計：在將刻蝕衍射光柵輸入波導放置在中心波長衍射包絡能量極小值位置后，進一步通過交替變換齒面衍射級分布，可以抑制相鄰衍射級能量分布，減小其對輸入波導可能帶來的回波損耗，至40dB左右。 (5)大光柵齒面大自由光譜范圍設計：對刻蝕衍射光柵器件，選用大的衍射級，可以獲得相對較大的光柵齒面，減小制作難度，同時可讓器件的損耗和偏振敏感性都降低

6、；然而大的衍射級必然降低器件的自由光譜范圍，使波分復用可以利用的通道數(shù)減少。 論文通過對刻蝕衍射光柵所有齒面衍射級全局優(yōu)化，將使用衍射包絡對相鄰兩衍射包絡消光比提高到30dB以上，使得相鄰衍射包絡的能量可以被當作可接受的串擾看待，進而解決了上述矛盾。詳盡分析了光柵圓角化、表面粗糙以及波導和器件自由擴散區(qū)點缺陷存在等工藝誤差對器件性能帶來的影響，為器件制作提供了參考。對設計好的集成波導器件，本論文分別采用硅基二氧化硅波導結構，實現(xiàn)