【摘 要】
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随着网络技术的发展,传统通讯网络的信息容量不断趋于饱和,这对于光通讯的传输窗口以及工作带宽提出了更高的要求。其中波分复用技术是增加光通信带宽和传输容量的核心技术。阵列波导光栅（AWG）具有较低的插入损耗和串扰,是一种极具潜力的多路复用/解复用器,因此深入研究并开发多通道、低串扰、低插入损耗的AWG是目前最具前景的研究方向之一。特别的,基于硅材料的波分复用器件因与CMOS工艺兼容且可与传统微电子高度
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随着网络技术的发展,传统通讯网络的信息容量不断趋于饱和,这对于光通讯的传输窗口以及工作带宽提出了更高的要求。其中波分复用技术是增加光通信带宽和传输容量的核心技术。阵列波导光栅（AWG）具有较低的插入损耗和串扰,是一种极具潜力的多路复用/解复用器,因此深入研究并开发多通道、低串扰、低插入损耗的AWG是目前最具前景的研究方向之一。特别的,基于硅材料的波分复用器件因与CMOS工艺兼容且可与传统微电子高度集成而具有巨大的潜力。与此同时,氮化硅（Si3N4）材料具有较低的热光系数以及较低的传输损耗,因此被人们认为是实现高性能AWG的理想材料。本文为了在Si3N4-on-SOI平台上获得具有良好性能的AWG,进行如下三部分研究:首先研究了工作中心波长为1550nm的16×16通道400GHz常规型Si3N4AWG,以获得具有良好串扰指标的AWG为目标进行了参数设计。通过商用数值仿真软件Lumerical仿真计算,验证了器件模型的可行性,设计优化后得到常规型Si3N4AWG的平均插入损耗约-2.55d B,通道串扰约-28d B,3d B带宽约1.4nm。其次,结合对常规型Si3N4 AWG的研究,从保证性能的同时将器件尺寸缩小一半,节约成本,更易实现集成化的角度出发,研究了工作中心波长为1550nm的1×15通道400GHz折叠型Si3N4 AWG。本研究通过引入低损耗、波长不敏感的Si3N4-Si波导转换器和硅基微环反射结构来实现上述目标。利用商用数值仿真软件Lumerical进行仿真,优化后得到了损耗为0.36d B和0.25d B的Si3N4-Si波导转换器和硅基微环反射结构,并对整体折叠型Si3N4 AWG进行了仿真优化,得到了平均插入损耗约-3.77d B,通道串扰约-26d B,3d B带宽约1.4nm的折叠型Si3N4 AWG。最后通过标准CMOS工艺分别制备了16×16通道常规对称Si3N4 AWG和1×15通道折叠Si3N4 AWG,并对流片加工得到的器件进行了测试与分析。基于本课题组测试平台的测试结果显示:常规Si3N4 AWG的平均片上损耗约-5d B,通道串扰约-25d B,3d B带宽约1.4nm;折叠Si3N4 AWG的平均片上损耗约-6.2d B,通道串扰约-20d B,3d B带宽约1.4nm。与仿真预期相符。其中,在实际测试过程中发现由于测试环境不同和工艺误差,通道的中心波长往往与设计值有偏差,为了实现中心波长可调,开展了热调结构的设计。测试结果表明,在应用了热调结构后,器件的插入损耗和串扰无明显变化,同时测试了不同电压下的单一通道光谱情况,发现随着电压的增加,光谱峰向长波方向偏移。总结以上内容可以发现基于Si3N4平台的AWG具有较低的损耗和良好的串扰特性;折叠型Si3N4 AWG在保持器件性能的同时减小了器件的尺寸,便于集成和大批量生产;同时,热调结构的使用改善了器件性能受测试环境影响的问题。为未来Si3N4 AWG的系统集成化奠定了基础。
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