硅基亚波长结构功率_偏振分束器研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TN256密级：公开UDC：535.8学号：151209硅基亚波长结构功率/偏振分束器研究研究生姓名：郭振钊导师姓名：肖金标申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称电子科学与技术论文答辩日期2018年6月3日二级学科名称物理电子学学位授予日期20年月日答辩委员会主席王瑾教授评阅人王瑾教授朱敏副教授2018年6月3日硕士学位论文硅基亚波长结构功率/偏振分束器研究专业名称：物理电子学研究生姓名：郭振钊导师姓名：肖金标ASTUDYONSILICON-BASEDPOWER/POLARIZATIONBEAMSPLITTERSU

2、SINGSUBWAVELENGTHGRATINGSAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYGUOZhenzhaoSupervisedbyProf.XIAOJinbiaoSchoolofElectronicScienceandEngineeringSoutheastUniversityMay2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方

3、外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布

4、（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要当前，片上光互连技术受到广泛重视，有望成为突破传统电互连瓶颈问题的热门技术。在构建高性能片上光互连系统中，硅基光子集成回路（PICs）具有高折射率差与兼容CMOS制造工艺等优点，利于实现密集集成，从而满足高速、大容量光信息处理系统的发展需求。光功分器与偏振分束器是构建PICs两类基础器件，前者用以实现光功率的多路分配，后者用以实现不同偏振态的高效分离。本文旨在提出并设计基于硅基亚波长光栅（SWG

5、）结构的光功分器与偏振分束器，优化器件结构参数并给出其制作容差，为构建密集集成PICs提供参考器件。论文首先综述了PICs的发展，简单介绍了硅基光子学的关键问题、制作工艺、发展发向以及面临的挑战；详细介绍了光功分器与偏振分束器在国内外的发展现状，描述了硅基片上无源光器件的主要性能指标。其次，介绍了两种常用的器件数值分析及设计优化方法并对亚波长光栅进行详细分析：采用频域有限差分法（FDFD）分析亚波长光栅波导截面的模式特性，时域有限差分法（FDTD）分析亚波长光栅波导的传输特性，总结发现亚波长光栅的折射率可调性、衍射抑制、反射抑制作用，利用这些特性可设计新型

6、高性能硅基无源光器件。然后，基于对亚波长光栅结构的分析，提出并分析了一种硅基亚波长光栅波导的偏振不敏感型光功分器，在传统的锥型（taper）及反锥型（inverse-taper）硅基波导上嵌入亚波长光栅结构，实现偏振不敏感传输。器件具有超紧凑、易制造、低损耗的特点，并且其低损耗工作带宽可覆盖光通信的全波段（O、E、S、C、L、U波段），可应用于光调制器、光开关、光传感等硅基有源器件。接着，提出并分析了一种基于氮化硅-硅（SiliconNitride-on-Silicon）平台的超紧凑型偏振分束器，在硅底层采用亚波长光栅结构将入射TE模耦合到相邻波导并使其弯

7、曲波导输出，而入射TM模在上氮化硅层传输并直接输出，两个模式在不同分隔层中传输且互不影响，从而实现偏振分束。同时，该器件的耦合长度仅为2.7m，这使得该器件在构建高效及高集成度的偏振分集方案中具有很强的应用潜力。再者，提出并详细分析了一种TE通过及TM截止的硅基超紧凑型光功分器，采用亚波长光栅多模波导与分段混合等离子垂直槽波导（HPHSWs），实现功率均分与偏振选择两个功能集成于单个器件，利于构建大规模密集集成PICs。数值结果表明，该器件可同时获得低损耗的功率均分（TE模）和高效的模式截止（TM模）：在1.55m的工作波长下，入射TE模功率均分的插

8、入损耗为0.28dB，入射TM模截止的消光比为19.73dB，TE