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由于绝缘体上的硅(SOI)材料的成熟的制造工艺和能与CMOS兼容两大特点而被当做最有前途的集成光子学平台,因而受到越来越多的关注。在集成光子学系统中,有任意分光比的光波导耦合器是最基本的器件之一,它在复杂的集成光路应用中起了很大的作用,如光开关、环形谐振器、马赫曾德尔干涉仪(MZI)等。1×3光耦合器典型的结构有两种,即1×3定向耦合器和1×3多模干涉(MMI)耦合器。基于模式耦合理论的定向耦合器结构简单、容易实现任意分光比、在SOI平台上易于制造,因此使用广泛。而基于多模干涉原理的1×3MMI耦合器尺寸小、制造容差大,最重要的是工作带宽较宽,然而传统的多模干涉耦合器只能实现三个端口输出1:1:1的分光比。因此为了实现任意分光比,很多种方法已经被报道了,比如使用弯曲波导结构的MMI,蝶形MMI或者级联两个较短的MMI。论文致力于1X3光耦合器关键技术的研究,主要研究任意分光比的1X3定向耦合器和1×3MMI耦合器,主要研究内容及创新工作如下:1.建立了基于SOI的1X3定向耦合器仿真模型。通过系统仿真,研究该方案中各结构参数的选取对光耦合器性能的影响,各参数包括:弯曲波导的半径R、波导间距Gap、耦合长度Lc等。仿真中重点研究了分光比为1:2:1的1 X3定向耦合器的各种特性,比如插入损耗特性、带宽特性、电场图、磁场图、能量图等。仿真结果表明,无论是在半径为10um还是30um的情况下,1 X 3定向耦合器的插入损耗均很低,位于0.1dB以下。但是由于定向耦合器基于模式耦合原理,其分光比与波长相关,带宽受限,为改善其带宽特性,本文还仿真了耦合区域为taper型的1 X 3绝热耦合器,在1400nm到1700nm区间内,绝热耦合器中间输出波导的分光比变化了 56%,而在相同区间内,定向耦合器的分光比变化了 74%,故绝热耦合器改善了带宽特性。2.首次提出了一种新型的基于SOI的1×3MMI耦合器,该方案通过改变多模区域的形状实现了准任意分光,并且保留了传统MMI耦合器结构紧凑、尺寸小、插入损耗低、带宽较宽等优点。利用2.5维变分法-时域有限差分法(2.5Var-FDTD)对其进行模拟仿真,并主要分析了分光比为1:1:1、1:2:1的1×3MMI耦合器的结构参数对插入损耗、带宽等特性的影响。仿真结果显示该方案比传统的1×3MMI耦合器结构更紧凑,为更小型化的集成打下了良好的基础。更重要的是,该方案不仅结构紧凑、插入损耗低,而且带宽特性很好,仿真结果表明在保证插入损耗低于0.3dB的前提下,在1500nm到1600nm这100nm带宽范围内中间输出波导的分光比仅变化了2.2%。最后,论文还设计了具有三角形缺口的1×3MMI耦合器,仿真结果表明在1530nm到1600nm这70nm带宽范围内中间输出波导的分光比变化了 3.9%,插入损耗都低于0.21dB。因此具有三角形缺的1×3MMI耦合器虽然未能改善带宽特性,但是其插入损耗更低。本方案对1N型MMI耦合器实现任意分光比的研究有很大的参考价值。3.搭建了基于半自动耦合系统测试平台的实验装置,并通过系统实验对制作的芯片进行了测试。测试结果显示:1X3定向耦合器的插入损耗为O.1dB,分光比为25.9%:48.3%:25.8%;1×3MMI耦合器的插入损耗为0.2dB,分光比为25.4%:49.6%:25%。实验结果表明两种耦合器的分光比和插入损耗与设计和仿真的结果基本吻合,验证了本文方案的可行性。另外通过对1 X 3定向耦合器和1×3MMI耦合器制作容差的仿真,证明该方案可制作成半导体集成器件,在未来的实际应用中具有巨大的潜力。