基于SOI導(dǎo)波線非性應(yīng)效的光脈沖開關(guān)設(shè)計(jì)及分析.pdf

1、近年來，絕緣體上的硅 (SOI)波導(dǎo)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，人們對其理論和實(shí)驗(yàn)的研究也日漸增多。由于SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的光場約束性能，它的材料具有雙光子吸收等特性，這決定了它擁有多種非線性效應(yīng)。
　　 本論文研究了皮秒和飛秒量級的光脈沖在SOI波導(dǎo)中的非線性過程，并利用這個過程所表現(xiàn)出來的函數(shù)，設(shè)計(jì)了各種光開關(guān)模型，并對其進(jìn)行熱穩(wěn)定分析。主要的研究成果如下:
　　 (1)
　　 綜述了近年來硅基光電子器件的發(fā)展

2、狀況以及它們在非線性光開關(guān)上的應(yīng)用趨勢。在參考相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，得到了較完善的光脈沖非線性傳輸方程。
　　 (2)
　　 介紹了矢量有限單元法的電磁學(xué)分析理論，并把這種方法應(yīng)用于聚合物波導(dǎo)的模式分析中，得到更加精確的計(jì)算結(jié)果。還把這種方法應(yīng)用于光電印刷電路板
　　 EOPCB)的45°全內(nèi)反射波導(dǎo)鏡的誤差分析中，得出了相對功率變化和制作誤差之間的關(guān)系；計(jì)算出了制作誤差的容限，這有利于指導(dǎo)實(shí)際的45°全內(nèi)反射波導(dǎo)鏡

3、的制作。還把這種方法應(yīng)用于EOPCB的45°全內(nèi)反射波導(dǎo)鏡和波導(dǎo)的對齊誤差的分析中，得出了相對功率變化和對齊誤差之間的關(guān)系；計(jì)算出了對齊誤差的容限，有利于指導(dǎo)實(shí)際的45°全內(nèi)反射波導(dǎo)鏡和波導(dǎo)對齊的制作。
　　 (3)
　　 介紹了非線性薛定諤方程的常用解法——分步傅立葉方法，但這個方法的缺點(diǎn)是需要大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時間；因此，本論文提出了分步多小波方法來求解非線性薛定諤方程。它將光脈沖信號進(jìn)行取樣、壓縮之后再計(jì)算，這

4、樣可以節(jié)省計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算時間，而計(jì)算精度卻沒有明顯的下降。并且，把這個方法應(yīng)用于兩芯非線性光脈沖開關(guān)的求解中，在和其他的方法相比之后，發(fā)現(xiàn)耦合器的功率轉(zhuǎn)移效率沒有明顯變化，但計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算時間卻減少很多，此方法有利于偏微分方程的迭代求解。
　　 (4)
　　 分析了刻蝕深度擾動條件下的線性負(fù)切趾SOI布拉格光柵 (LNTSBGDC)兩芯變系數(shù)耦合器的功率傳遞效率。對于高斯、指數(shù)和升余弦變耦合系數(shù)來說，當(dāng)相對功率傳

5、遞效率分別低于0.02時，光脈沖開關(guān)的性能基本上不受影響；此時得到了刻蝕深度的容限，有利于指導(dǎo)實(shí)際的制作這種光開關(guān)。另外，設(shè)計(jì)了級聯(lián)的SOI非線性光脈沖開關(guān)，分別計(jì)算了耦合長度，芯距比對開關(guān)功能的影響。在對脈沖光開關(guān)的切換功能影響不大的前提下，計(jì)算出芯層的高度、寬度和芯距比的制作容限。在此容限范圍內(nèi)，他們對功率轉(zhuǎn)移效率和相對功率轉(zhuǎn)移效率誤差的影響很有限。當(dāng)四個不同功率的光脈沖輸入時，他們分別被切換到不同的端口輸出。盡管輸出脈沖有一點(diǎn)壓縮

6、和損耗，但輸出脈沖的波形基本上沒有太大變化。而光脈沖開關(guān)的功能卻實(shí)現(xiàn)了，這個設(shè)計(jì)證明是有效的。
　　 (5)
　　 分析了基于非對稱三芯SOI變高斯耦合系數(shù)光脈沖開關(guān)的功率轉(zhuǎn)移效率和消光比的熱穩(wěn)定性。因?yàn)镾i和SiO2材料的折射率受溫度變化的影響，那么非線性耦合器的有效折射率也相應(yīng)的變化。當(dāng)耦合系數(shù)的參數(shù)以及溫度變化時，分別得到相對轉(zhuǎn)移效率誤差值、相對消光比變化值。當(dāng)溫度在100K?的范圍內(nèi)變化時，計(jì)算出了耦合系數(shù)參數(shù)的

7、設(shè)計(jì)范圍；在這個范圍內(nèi)光脈沖開關(guān)的功率轉(zhuǎn)移效率和消光比能夠穩(wěn)定工作。另外，研究了雙光子吸收效應(yīng)引起的光脈沖波長選擇開關(guān)陣列的性能變化。因?yàn)殡p光子吸收效應(yīng)能夠使整個陣列的溫度發(fā)生變化，而溫度的變化將導(dǎo)致材料的有效折射率以及布拉格波長發(fā)生變化；這將造成功率轉(zhuǎn)移效率，脈沖峰值幅度比和相對消光比發(fā)生變化。經(jīng)過計(jì)算，得到歸一化輸入功率的取值范圍；在此范圍內(nèi)，相對轉(zhuǎn)移效率值變化的最小，光脈沖開關(guān)的切換功能基本上不受影響。脈沖波長選擇的功能得以可靠實(shí)