基于硅基的超大带宽的偏振分束器的研究

论文摘要

硅基光电子集成电路作为近年来热门的一项通信技术,自其问世以来,已经对人们的生产和生活产生了很大的影响。早在20世纪70年代,构建集成光路的思想就被大胆的提出,随着研究的逐步深入,对基于硅基的光电子学和集成芯片的研究越发重要。硅基集成芯片技术依托于成熟而稳定的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺流程,具有低成本、易加工、可大规模生产、集成度高等突出优势。偏振是光波的最普遍的特性之一,利用偏振分束技术,可以明显提高光通信的数据容量。偏振分束器在光通信中偏振复用技术中有很大的研究价值,因此,研究在硅基集成电路中不同模式（偏振态）的光波的传输特性以及研究如何低损耗并且高度集成的模式分离（分束）方法显的尤为重要。本文采用时域有限差分（FDTD）法,针对光波的两种偏振模式:准横磁模（TM）和准横电模（TE）在硅纳米线波导中的传输特性和在偏振分束器中的光场分布及其传输损耗等进行了仿真和实验研究。针对常规的偏振分束器（PBS）工作的波长范围较短的问题,设计了一种基于锥形弯曲定向耦合器（DC）结构的超紧凑的偏振分束器,并理论仿真和制备实现了超大带宽的偏振分束器。本文的主要工作有:（1）采用MODE solutions软件中的有限差分本征模求解器（FDE）方法,研究了硅纳米线波导中的偏振特性。由于绝缘体上硅（SOI）的晶圆高度为220 nm,因此仿真设定硅波导的高度为220 nm,并通过调节硅波导的宽度,获得了双偏振单模波导的宽度范围,在该范围内,硅波导中TE模和TM模都是以基模的形式存在,即TE0模和TM0模,并未激发出高阶模式,如TE1、TM1、TE2……等。这为后续仿真以及设置弯曲的锥形定向耦合器的波导宽度等参数奠定了基础。（2）采用时域有限差分（FDTD）的方法,设定好绝缘体上硅的物理模型,并用软件绘制出定向耦合器的波导结构,设置波导间隔、波导宽度、波导高度等参数之后,经过多次仿真并优化之后,得到了偏振分束器最佳参数。仿真结果表明,该偏振分束器与波导宽度恒定的弯曲定向耦合器结构和基于直波导的锥形定向耦合器结构相比,能够明显的提高器件的工作带宽,并能够实现较高的消光比和较低的光损耗。为了优化器件性能,采用了级联单个的锥形弯曲定向耦合器结构的方法,可以看出,偏振分束器具有超大的宽带性能（1280 nm-1600 nm）,对于TM模的光输入信号来说,可以得到大于10.1 dB的消光比和小于1.37 dB的光耦合损耗。当TE模的光信号输入时,消光比也大于10.5 dB,光插入损耗小于1.33 dB。因此当输入光波长在1280 nm-1600 nm时,两种偏振模式都能够实现较低的光损耗和较高的消光比。（3）利用仿真计算得出波导参数,我们设计相应版图并加工硅基光芯片,使用光波长范围为1280 nm-1360 nm和1510 nm-1590 nm的光激光器进行测试,并采用偏振控制器来控制输入光的不同偏振模式。测试结果表明,对于TE模的光信号来说,在1280 nm-1360 nm波长范围内,能够得到大于10.94 dB的消光比和的小于1.61 dB光路损耗。在1510 nm-1590nm波长范围内,消光比大于11.98 dB,并且光路损耗小于1.39 dB。当TM模的光输入时,在1280 nm-1360 nm波长范围内,能够获得大于12.25dB的消光比和小于2.22 dB的光耦合损耗。在1510 nm-1590 nm波长范围内,能够得到大于18.93 dB的消光比和小于1.22 dB的光耦合损耗。基于锥形弯曲定向耦合器结构的偏振分束器结构简单,并采用常见的绝缘体上硅结构,易于设计和加工,易于与其他硅基光子器件集成,在硅基集成光路中有着广阔的应用前景。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵宁

导师: 邱辞源

关键词: 硅基光器件,模式分束,偏振分束器,定向耦合器

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN256

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002199

总页数: 64

文件大小: 3548K

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