硅基槽式納米線緊湊型偏振分束器-旋轉(zhuǎn)器機(jī)理的表征、模擬與設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)，由于具有高折射率差和兼容成熟的CMOS制造工藝等特點(diǎn)，基于絕緣體上硅(SOI)平臺(tái)的光子集成回路(PIC)受到廣泛關(guān)注。另一方面，SOI光子器件一般對(duì)光的偏振態(tài)敏感，使得不同偏振態(tài)在其中產(chǎn)生不一致的傳輸特性，嚴(yán)重影響器件甚至系統(tǒng)性能。因此，能消除偏振態(tài)影響的緊湊型偏振分束/旋轉(zhuǎn)器件在PIC中有著重要作用。硅基槽式納米線能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在低折射率的槽區(qū)，且雙折射效應(yīng)明顯，能夠突破衍射極限，為設(shè)計(jì)新穎的硅基光子器件提供了新思路。本論文

2、以硅基槽式納米線為基礎(chǔ)，提出并設(shè)計(jì)數(shù)種尺寸小、消光比高、插入損耗低的偏振分束/旋轉(zhuǎn)器件，給出了各器件的工作原理，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其制作容差。這些器件將在硅基PIC中具有巨大應(yīng)用潛力。
　　第一章，簡(jiǎn)要綜述了硅基光子集成回路的發(fā)展，介紹了硅基槽式納米線的結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用，并系統(tǒng)總結(jié)了兩種常見的偏振控制器件偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器的研究進(jìn)展。
　　第二章，首先介紹了幾種常用的硅基光子器件的模式求解和傳輸分析方法，評(píng)估了它們的優(yōu)缺點(diǎn)

3、及適用場(chǎng)合;接著提出了一種改進(jìn)型的多域偽譜模式求解法，適合求解具有曲線介質(zhì)邊界的彎曲波導(dǎo)的模式。應(yīng)用該方法，分別分析了直脊波導(dǎo)、彎曲脊波導(dǎo)和彎曲階躍光纖的全矢量模式特性，來(lái)驗(yàn)證本方法對(duì)直波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)和具有曲線邊界的彎曲波導(dǎo)的適用性。數(shù)值結(jié)果表明，本方法收斂速度快、計(jì)算效率與精度高。
　　第三章，利用垂直槽式納米線，設(shè)計(jì)和分析了兩種基于不對(duì)稱定向耦合器(DC)的偏振分束器。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，在這兩種器件中分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)正交偏振態(tài)

4、的有效分離。高雙折射槽式納米線的引入使得兩種器件都具有極其緊湊的尺寸?；趦刹▽?dǎo)DC的偏振分束器的耦合區(qū)長(zhǎng)度為20.5μm，串?dāng)_低于-23.3dB?；谌▽?dǎo)DC的偏振分束器的耦合區(qū)長(zhǎng)度僅為7.6μm，串?dāng)_低于-31dB。此外，兩個(gè)器件都具有較小的插入損耗和大工作帶寬。對(duì)于槽式納米線和硅線波導(dǎo)的耦合問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)絕熱變化的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器，能夠高效地將槽式納米線的模式轉(zhuǎn)換為硅線波導(dǎo)的模式。
　　第四章，利用水平槽式納米線，設(shè)計(jì)和分析了

5、兩種基于多模干涉(MMI)耦合器的偏振分束器。針對(duì)MMI型偏振分束器的器件尺寸普遍較大的問(wèn)題，采用高雙折射的水平槽式納米線能夠增大兩個(gè)偏振態(tài)的自鏡像長(zhǎng)度差，從而縮短器件尺寸。而拋物線形寬度漸變的MMI段和限制干涉機(jī)理的采用進(jìn)一步減小了器件長(zhǎng)度。數(shù)值結(jié)果顯示，器件的干涉區(qū)長(zhǎng)度為23.4μm，偏振消光比大于22.3dB，插入損耗小于0.58dB。針對(duì)MMI型偏振分束器消光比不足的問(wèn)題，又提出了一種級(jí)聯(lián)的MMI耦合器結(jié)構(gòu)，使兩個(gè)偏振分別在各自

6、的自鏡像長(zhǎng)度處輸出，因此都能獲得很高的消光比。數(shù)值結(jié)果顯示，器件的工作區(qū)長(zhǎng)度為42μm，偏振消光比大于29.8dB，插入損耗小于0.70dB。
　　第五章，首先研究了十字槽式納米線的模式特性，計(jì)算了其折射率和槽區(qū)域的光功率限制與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。接著設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于十字槽式納米線的偏振旋轉(zhuǎn)器，能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎100％的偏振旋轉(zhuǎn)。該器件的旋轉(zhuǎn)區(qū)長(zhǎng)度僅有18.9μm，消光比大于31.6dB，插入損耗在整個(gè)C波段都低于0.38dB。偏振旋轉(zhuǎn)器