光子晶体多模干涉耦合器分析

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1、东南大学硕士学位论文oP瞄‘■C棚帕p●-枷I孵圈M钾岬嘲roll_懒，h—删脚馨胃w·妇咖喇_～脚～◆o-I叫^一一细图1．1采用了放大器的四波长信道WDM点对点传输系统1．1．2光子器件的发展‘¨之6】各种光子器件如半导体激光器、光探测器等有源器件以及光开关、光调制器、波分复用／解复用器、分路器／耦合器等无源器件，大部分己应用于DWDM商用光网络中。目前，围绕着提高性能、降低成本、提高器件集成度等目标，仍在研究新材料、提出新机理、开发新工艺。随着WDM光通信系统的发展。光器件对光通信的影响越来越深，而光通信的发

2、展也呼唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现。在以DWDM为目标的全光通信网络发展的推动下，光子器件已经呈现出如下的发展趋势【19硼：(1)纤维光学和集成光学共同发展，互为补充；(2)分离器件和集成化器件将长期共存。但发展趋势是集成化。把不同功能的若干或众多光子器件通过内部光波导的互连，优化集成在一个芯片上，以突破分立器件的功能局限，是近年来光子器件研究者追求的目标，由此形成了一个新的研究领域一光子集成电路0'ICs)。另一方面，虽然DWDM光网络的核心功能可以全由光子器件的运行操作来实现，但一个完整的光子功

3、能器件仍然需要电子器件进行辅助，如激光器需要恒定电流来驱动，光开关／调制器需要利用电光效应来实现，光接收器需要偏置电场来操作，而信息的终端处理与再现、读出等，利用成熟的微电子技术来实现则更为可行方便。因此，未来的集成电路必然是光子集成电路与微电子集成电路的共融体，称为光电子集成电路(OEICs)．PICs或OEICs成为当前研究热点¨’Ⅲ．1．2波导型光耦合器光耦合器是DWDM光网中的重要器件。一方面，它可以作为独立元件，在DWDM光网络中实现光功率或光信号的多路分配；另一方面，它也是构成其它元器件，如放大器、信号

4、监控器、光开关及光调制器等的重要辅助元件。相对于传统的光纤型光耦合器，波导型光耦合器能够高效、经济地制作成众多互联的光子器件，且功分比能够精确控制，从而实现与其它光子器件的单片集成，大大降低功耗，缩小尺寸，极大地改善芯片的成品率和可靠性。2第一章绪论1．2．1波导型光耦合器的分类波导型光耦合器主要有定向耦合器型、Y分支型，x分支型和多模干涉型等，图1．2为这类器件的结构示意图。&定向耦合器型图1．2(a)为定向耦合器型光耦合器，由两个间距非常小的并列耦合波导构成，这两个波导的一个重要参数是它们的耦合长度L，耦合长度

5、随并列波导的间距增大而指数增大，因此要求耦合波导有很高的加工精度。可以采用耦合模理论对其进行分析。b．Y分支器型这是一种应用广泛的光耦合器，结构简单，如图1．2(b)所示，由一个输入端和两个有一定夹角的输出端构成。这种耦合器要求分支角很小，光刻难度很大。c．X分支器型这种耦合器也是一种常用的光耦合器，用这种光耦合器可以做成如图1．2(c)所示的2x2光耦合器。这种耦合器与Y分支耦合器一样要求分支角很小，光刻难度大，对加工精度要求高．d．多模干涉型多模干涉(MMD型光子器件具有结构紧凑、带宽高、对偏振不敏感、制作容差

6、性好等优点，从而引起人们的极大关注口1。由Bryngclah首先提出并被ulrich扩展的多模波导自镜像效应(slE)是MMI型光子器件的基本工作原理，其本质是输入场在多模波导中将激励起多个模式，各模式问相互干涉，结果沿波的传播方向周期性地产生输入场的一个或多个像。至今，已有众多方法如光线光学法、混合法、离散谱折射率法、最小二乘边界残余法、束传播法、时域有限差分法及导模展开法来分析，模拟及解释这一现象。多模干波导的sIE己广泛用来设计各类光子器件，如光功分器、模式分离器、光分波，合波器、环形激光器、波分复用／解复用

7、器、光分叉复用器、门限光开关、空间光开关及Mach-Zehnder光开关等田。M。墙入端，糖^lI'蠢■^●■■㈨l膏圭■蔓‘dl叠童■■‘D●■千≯I图1．2波导型光耦合器结构示意图1．2．2光耦合器的材料制作波导型光子器件的材料主要包括硅、铌酸锂(L-Ni03)．1I!-V族化合物半导体材料等。硅材料是现代集成电路工业的基础性材料，是人类制各工艺最成熟、研究最深入、了解最清楚的材料之一。硅的折射率较高(在波长为1．1[tm时n_3．53)，且硅对通信领域所采用的两个波长1．31j_rn和1．55岬来说是透明的。

8、在绝缘体上的硅平面波导技术是最近几年发展起来的，作为暂时替代硅片3东南大学硕士学位论文上二氧化硅技术的产物。该技术己经应用生产出耦合器、滤波器光开关，激光器、放大器和衰减器等重要光器件。铌酸锂(LiNb03)由于其优良的电光系数，加上容易加工处理和环境的稳定性，使其成为应用广泛的波导器件材料之一。其主要优点有：传输损耗低、模式尺寸能和单模光纤很好的匹配、工艺