基于硅納米線的陣列波導(dǎo)光柵研究.pdf

1、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）已成為密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。隨著大規(guī)模光子集成器件的發(fā)展，AWG的小型化和溫度不敏感設(shè)計成為重要的研究課題。硅納米線具有較高的芯層-包層折射率差，在通信窗口有較低傳輸損耗的發(fā)展?jié)摿?，而且與電子工業(yè)現(xiàn)有工藝兼容，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。本文研究基于硅納米線的陣列波導(dǎo)光柵（Si-AWG）的設(shè)計、模擬和優(yōu)化，實現(xiàn)溫度不敏感AWG （TI-AWG）的熱應(yīng)力補償法和多波導(dǎo)混合集成法。
　　 光波導(dǎo)理論是AW

2、G 設(shè)計的基礎(chǔ)。研究平板波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)的模式理論，介紹矩形波導(dǎo)模式計算的有效折射率法（EIM）、有限差分光束傳播法（FDBPM）和有限元法（FEM）。比較三種方法的結(jié)果表明，在硅納米線中，不同偏振分量之間的耦合較大，在臨近截止區(qū)域應(yīng)使用全矢量有限元法（FV-FEM）。介紹仿真光在波導(dǎo)中傳輸?shù)腇DBPM和有限差分時域法（FDTD），分析硅納米線的解耦合性能、彎曲損耗和連接損耗。介紹光波導(dǎo)的應(yīng)力理論和FEM的應(yīng)力分析，研究AWG中應(yīng)力雙折射

3、現(xiàn)象。
　　 Si-AWG的設(shè)計、模擬和優(yōu)化是本文的主要工作之一。采用馬鞍型版圖，研究Si-AWG的設(shè)計理論，給出一般的設(shè)計流程。采用EIM 將AWG的三維模型近似轉(zhuǎn)化為二維模型，建立基于二維菲涅爾-基爾霍夫衍射公式（2D-FKDF）的理論計算方法，研究2D-FDTD的全局仿真，兩種方法的結(jié)果吻合。采用2D-FKDF和2D-FDTD對Si-AWG的各參數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)計實例的中心通道峰值波長的損耗約1.5 dB，串?dāng)_小于20dB。

4、研究寬度不同的Si納米線混合集成實現(xiàn)低損耗Si-AWG，給出補償法和多波導(dǎo)混合集成法兩種設(shè)計方法，并使用2D-FDTD 進行驗證。
　　 基于熱應(yīng)力補償?shù)腡I-AWG是本文的主要工作之二。研究各向異性Si晶體和各向同性二氧化硅（SiO2）波導(dǎo)中應(yīng)力的影響。忽略材料的各向異性，根據(jù)彈性多層板熱應(yīng)力理論和掩埋矩形波導(dǎo)的應(yīng)力集中理論，推導(dǎo)AWG 陣列波導(dǎo)芯層應(yīng)力的解析解，與3D-FEM 應(yīng)力分析的結(jié)果吻合。研究芯層應(yīng)力差的影響因素以及

5、應(yīng)力板的調(diào)節(jié)作用，結(jié)果表明，應(yīng)力板能大幅度調(diào)節(jié)平行襯底方向的芯層應(yīng)力分量，而對垂直襯底方向的芯層應(yīng)力分量影響較?。辉贏WG 芯片底部粘貼具有正熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力板或在芯片頂部粘貼具有負熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力板都可實現(xiàn)偏振不敏感的AWG。將波導(dǎo)上包層區(qū)分為覆蓋上包層和芯層間包層，分析表明，對芯層應(yīng)力產(chǎn)生主要影響的是芯層間包層，覆蓋上包層的影響可以忽略。推導(dǎo)各向異性平板波導(dǎo)的有效折射率及其溫度系數(shù)的解析解，采用EIM 估計應(yīng)力板作用下AWG 陣列波

6、導(dǎo)芯層有效折射率的溫度系數(shù)，與3D-FEM 結(jié)果吻合。系統(tǒng)研究應(yīng)力板對AWG中心波長溫度系數(shù)（TCCW）的影響，結(jié)果表明，應(yīng)力板的材料參數(shù)、厚度能有效地調(diào)節(jié)TCCW。在AWG 芯片底部粘貼具有較大正熱膨脹系數(shù)或在芯片頂部粘貼具有較大負熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力板，可有效降低TCCW。在SiO2-AWG的底部或頂部粘貼黃銅板的實驗結(jié)果與理論吻合。
　　 基于多波導(dǎo)混合集成的TI-AWG是本文的主要工作之三。所有波導(dǎo)的厚度均為260nm。研究

7、2D和3D 狹縫波導(dǎo)的模式特征、Si納米線與狹縫波導(dǎo)的連接損耗、直波導(dǎo)間的解耦合特性、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下Si納米線和狹縫波導(dǎo)的溫度特性。選擇寬度為400nm的Si納米線作為波導(dǎo)I，研究波導(dǎo)II是Si納米線或狹縫波導(dǎo)的兩波導(dǎo)混合集成的溫度特性。設(shè)計兩波導(dǎo)混合集成的基于馬赫-曾德爾干涉儀的光濾波器（MZI-OF）和AWG，分析不同長度的波導(dǎo)I和波導(dǎo)II對MZI-OF和AWG的溫度敏感性、色散性能和器件尺寸的影響，并采用2D-FDTD 全局仿真進