微納光波導倏逝場耦合結構及其特性研究.pdf

1、波導耦合是一個經典課題，隨著光子技術朝著集成化方向發(fā)展，它又被賦予了新的意義。作為集成光子器件的最基本單元，微納米光波導一直是人們關注的對象，而微納米光纖與SOI（silicon-on-insulator）波導近年來更是成為研究的熱點,這主要得益于以下兩個原因：第一,由于Si與SiO2或空氣之間存在很大的折射率差，使得光場被緊緊地約束在Si波導中，從而可以把器件做得更小，將更多的光功能模塊集成在同一個芯片內；第二，微納光纖作為典型的微納

2、光波導，具有低損耗、強倏逝場以及色散參量可調等優(yōu)點，使其在光電子領域內具有廣泛的潛在應用價值，特別是微納光纖具有與普通單模光纖天然融合的特點，使其成為集成光子芯片與光纖通信系統(tǒng)和網絡之間的紐帶。
　　集成光子芯片封裝以及片上或片間光互聯(lián)的一個關鍵問題是光波導之間的耦合。在一個集成系統(tǒng)中，不同波導的幾何結構或材料可能相同，也可能完全不同，這為耦合帶來很大的挑戰(zhàn)。本文以微納光波導為出發(fā)點，著力探討基于微納光波導的高效耦合結構及其耦合特

3、性。為此，我們設計了錐形微納光纖耦合結構、微納光纖與錐形SOI波導耦合結構以及基于錐形微納光纖的多波導耦合結構，文中詳細地介紹了這些結構的設計、制作方法以及它們的新穎特性。
　　首先，論文對現(xiàn)有的波導耦合結構進行了分類。從耦合特征角度可分為強耦合與弱耦合；從耦合方式角度可分為縱向耦合與側向耦合；從耦合工藝與技術角度可分為直接準直耦合、模場修正端面耦合以及利用其它輔助結構進行耦合等。并逐一闡述了每一類耦合結構的特點，以及它們的研究進

4、展。
　　其次，論文在理論上對幾種不同材料、不同結構的微納光波導的模場及其耦合進行了分析。主要針對常見的平板波導、硅基條形波導以及微納光纖波導，深入討論了它們的模場分布以及倏逝場特點。從縱向耦合和側向耦合兩種耦合類型出發(fā)，詳細分析了微納米光波導的耦合機理，討論了決定耦合效率的主要因素，為接下來的耦合結構設計做了理論鋪墊。在這部分，我們將微波領域的傳輸線理論引入到光通信波段，并將其應用于微納光波導耦合結構的分析。實踐證明，該方法對于

5、耦合結構及其它微納光子器件的設計、分析都具有重要的參考價值。文中還介紹了幾種用于耦合結構設計的數值方法，并對本文用到的有限元法進行了詳細的說明。
　　然后，論文從實驗和數值計算兩個方面分析了基于微納光波導的耦合問題。第一，通過大量實驗，深入研究了兩根同結構同材料的錐形微納光纖波導之間的耦合特性。詳細介紹了基于錐形微納光纖的倏逝場耦合結構的設計，分析了錐形微納米光纖波導的幾何參數對耦合特性的影響，并給出了相關參數的優(yōu)化原則。此外，本

6、文還介紹了基于錐形微納光纖耦合器的具體制作工藝和步驟，并利用實驗室自制的微納光纖制備系統(tǒng)制取了高效率的耦合結構。測試結果表明，其耦合效率最高可達95％。與傳統(tǒng)的耦合結構不同，本部分所述結構，理論上可以通過優(yōu)化其幾何參數，使耦合效率隨疊合長度收斂于任意所需要的值，這一特點可以大大降低設計中對加工精度的要求。第二，利用數值計算方法仿真了不同結構不同材料微納波導之間的耦合特性。針對現(xiàn)有標準單模光纖與硅基波導耦合技術存在的問題，本文設計并仿真分

7、析了一種基于微納米光纖與錐形SOI波導的倏逝場耦合結構。文中深入地分析了微納光纖的直徑、錐形SOI波導的錐體長度、錐體頂端的寬度以及兩波導之間的疊合長度等幾何參數對耦合特性的影響，給出了參數優(yōu)化的原則。針對不確定因素造成的實際加工出來的器件在參數上與設計要求不完全吻合的問題，文中著重分析了該結構主要幾何參數的容錯率。分析結果表明，直徑為800nm的微納光纖與錐體長度僅為4.5μm，厚度為220nm的錐形 SOI波導耦合，當它們的疊合長度

8、超過4μm后，其耦合效率保持在90%以上。并且，該結構的3dB工作帶寬在300nm以上，各主要參數的容錯率完全滿足現(xiàn)有加工工藝的要求。文中隨后還介紹了該結構的加工工藝流程，闡述了制造該結構的可行性。該結構解決了已有耦合技術在封裝、加工、容錯率、帶寬、效率等方面存在的缺陷，在光互聯(lián)、集成光子芯片封裝中具有潛在的重要應用價值。
　　接下來，基于上述相關理論、實驗和仿真分析研究的成果，制作了一種新穎的多光束功率合成器，它是一種基于錐形微

9、納光纖的多波導倏逝場耦合結構的全新器件。在光通信以及片上光互聯(lián)領域內，通常要求功率合束器高效率、低成本以及單模工作，傳統(tǒng)的耦合結構很難兼具以上特點。本文所述的結構成功地解決了這一問題，同時還具有結構簡單、制作容易、波長無關等特點，使得該結構在光電子領域具有非常重要的潛在應用價值。文中主要介紹了2×1、3×1和4×1三種功率合束器，并詳細地分析了它們對相干光和非相干光的合束性能。利用錐形微納光纖制備裝置，我們得到了上述三種功率合束器，并測