基于深刻蚀二氧化硅脊型波导功分器的研究

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随着人们对带宽的需求急剧增加,光纤从光网络的干线网络,城域网络向接入网延伸。作为大带宽的“最后一公里的解决方法”的光纤到户(FTTH)以及无源光网络(PON)近年来在全球范围内的大面积的铺开,极大的促进了集成光学的研究,增加了对集成光器件的需求。本文以此为大背景,开展了基于深刻蚀SiO2脊型波导的紧凑型多模干涉功分器的研究,这种紧凑型的器件可以使得在一片芯片上集成更多的器件,由此可以降低成本。论文首先介绍了光波导的基本理论,讨论了基于麦克斯韦方程组本征模的求解,详细介绍了模式分析以及等效折射率法(EIM)、束传播方法(BPM)和多模干涉理论(MMI)等数值模拟方法。接着讨论了各种功分器结构的优劣,指出MMI功分器具有结构简单紧凑、工艺容差大、插入损耗小、均匀性好、对偏振和波长敏感性低的优点。详细介绍了表征功分器性能的各个结构参数,给出了各个参数定义和数学表达式,指出附加损耗以及均匀性是功分器最重要的两个参数。在选定数值模拟工具以及MMI结构作为功率分配器的光场模拟方法和结构后,引入对光波导具有强限制的深刻蚀二氧化硅脊型光波导,利用其波导折射率差比较大,弯曲半径小的优点,设计了一种新型的1×N多模干涉功率分配器。在输入/输出波导与多模干涉区域,创新性的引入一段逆向的锥形波导,有效的减少了功分器输出波导的间距,可以使得多模干涉区域的宽度和长度有效的减少,使得器件的尺寸更小,更容易在单片芯片上集成更多的器件。比如设计的1×2功分器的尺寸,包括输入/输出波导仅为150μm×20μm。运用三维束传播方法(3D-BPM)对输入输出波导以及多模干涉区域的光场传输进行了模拟,对于功分器的结构参数进行优化设计,结果得到一组最优化的设计值。运用BPM,进行波长扫描,得到器件插入损耗与波长的关系曲线图,并从理论上计算得到功率分配器各个端口的插入损耗,整体器件的附加损耗以及均匀性各个参数值。对光波导的材料选择,各种光波导的制作工艺进行了详细的介绍。按照光波导的制作顺序,从薄膜的制备,光刻技术,刻蚀技术,以及到最后的指标测试各个工艺流程的原理,设备,工艺参数一一进行了阐述。最后,按照预先设计的功率分配器的尺寸,完成了1×2,1×4,1×8器件的全部制作,并对器件进行了通光测试,得到了各个端口的损耗值,对测试得到的数据进行了有效的分析,对结果做出了合理的解释和总结。
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