硅基槽式納米線緊湊型偏振分束器-旋轉器機理的表征、模擬與設計.pdf

1、近年來，由于具有高折射率差和兼容成熟的CMOS制造工藝等特點，基于絕緣體上硅(SOI)平臺的光子集成回路(PIC)受到廣泛關注。另一方面，SOI光子器件一般對光的偏振態(tài)敏感，使得不同偏振態(tài)在其中產生不一致的傳輸特性，嚴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/旋轉器件在PIC中有著重要作用。硅基槽式納米線能夠將光場限制在低折射率的槽區(qū)，且雙折射效應明顯，能夠突破衍射極限，為設計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，提出并設計數種尺寸小、消光比高、插入損耗低的偏振分束/旋轉器件，給出了各器件的工作原理，最優(yōu)結構參數及其制作容差。這些器件將在硅基PIC中具有巨大應用潛力。
　　第一章，簡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構、原理以及應用，并系統(tǒng)總結了兩種常見的偏振控制器件偏振分束器和偏振旋轉器的研究進展。
　　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，評估了它們的優(yōu)缺點

3、及適用場合;接著提出了一種改進型的多域偽譜模式求解法，適合求解具有曲線介質邊界的彎曲波導的模式。應用該方法，分別分析了直脊波導、彎曲脊波導和彎曲階躍光纖的全矢量模式特性，來驗證本方法對直波導、彎曲波導和具有曲線邊界的彎曲波導的適用性。數值結果表明，本方法收斂速度快、計算效率與精度高。
　　第三章，利用垂直槽式納米線，設計和分析了兩種基于不對稱定向耦合器(DC)的偏振分束器。通過優(yōu)化設計參數，在這兩種器件中分別實現了對兩個正交偏振態(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▽C的偏振分束器的耦合區(qū)長度為20.5μm，串擾低于-23.3dB。基于三波導DC的偏振分束器的耦合區(qū)長度僅為7.6μm，串擾低于-31dB。此外，兩個器件都具有較小的插入損耗和大工作帶寬。對于槽式納米線和硅線波導的耦合問題，設計了一個絕熱變化的模場轉換器，能夠高效地將槽式納米線的模式轉換為硅線波導的模式。
　　第四章，利用水平槽式納米線，設計和分析了

5、兩種基于多模干涉(MMI)耦合器的偏振分束器。針對MMI型偏振分束器的器件尺寸普遍較大的問題，采用高雙折射的水平槽式納米線能夠增大兩個偏振態(tài)的自鏡像長度差，從而縮短器件尺寸。而拋物線形寬度漸變的MMI段和限制干涉機理的采用進一步減小了器件長度。數值結果顯示，器件的干涉區(qū)長度為23.4μm，偏振消光比大于22.3dB，插入損耗小于0.58dB。針對MMI型偏振分束器消光比不足的問題，又提出了一種級聯(lián)的MMI耦合器結構，使兩個偏振分別在各自

6、的自鏡像長度處輸出，因此都能獲得很高的消光比。數值結果顯示，器件的工作區(qū)長度為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，計算了其折射率和槽區(qū)域的光功率限制與結構參數的關系。接著設計了一個適用于十字槽式納米線的偏振旋轉器，能夠實現幾乎100％的偏振旋轉。該器件的旋轉區(qū)長度僅有18.9μm，消光比大于31.6dB，插入損耗在整個C波段都低于0.38dB。偏振旋轉器