多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关分析

提出了一种基于深刻蚀脊形光波导带模斑转换器的多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关,并用变量变换级数展开法及三维有限差分束传播法对其进行了模拟分析与优化设计.结果表明,通过控制多模波导中央的两段Schottky电极,器件可实现交叉态、直通态及3dB耦合器功能,并有较大的制作容差、较宽的工作带宽,只须一个多模波导,器件结构紧凑.采用深刻蚀脊形光波导能够满足多模干涉型器件的精确自镜像要求,并使输入/输出光波导在单模工作下有较大的横截面,较低的弯曲损耗及较小的耦合串扰.通道末端引入的模斑转换器可方便地与单模光纤连接耦合.     

1×3多模干涉型光功分器的研究

本文采用导模传输分析法,在GaAs/GaAlAs单异质结外延材料上设计了1×3MMI（多模干涉）型光功分器。根据所确定的器件结构参数,结合器件设计和制作过程中可能遇到的因素,详细分析了器件中自映像效应多模波导的宽度和长度、输入单模波导的宽度等结构参数对器件性能的影响。本文基于RSoft软件,对所设计的器件结构参量进行了仿真。模拟结果表明,所设计的器件实现了1×3光功分器功能,具有插入损耗低和均匀性好的特点。     

采用楔形连接波导和自对准反射镜的8×8阻塞型热光开关

通过改进热光开关单元和全内反射镜,设计并制作了基于SOI材料的8×8阻塞型热光开关矩阵.开关设计中,在单模波导和多模干涉耦合器之间引入楔形连接波导并进行优化,增大单模波导与多模波导之间的耦合效率,减小开关单元的损耗.此外,采用自对准方法提高了全内反射镜的光刻容差.开关矩阵各端口的平均插入损耗约为21dB,单个反射镜引起的附加损耗约为1.4dB,串扰少于-21dB.实验结果说明新设计改善了开关器件的整体特性,与理论分析一致.     

采用楔形连接波导和自对准反射镜的8×8阻塞型热光开关

通过改进热光开关单元和全内反射镜,设计并制作了基于SOI材料的8×8阻塞型热光开关矩阵.开关设计中,在单模波导和多模干涉耦合器之间引入楔形连接波导并进行优化,增大单模波导与多模波导之间的耦合效率,减小开关单元的损耗.此外,采用自对准方法提高了全内反射镜的光刻容差.开关矩阵各端口的平均插入损耗约为21dB,单个反射镜引起的附加损耗约为1.4dB,串扰少于-21dB.实验结果说明新设计改善了开关器件的整体特性,与理论分析一致.     

基于平行排列3×3耦合器的光器件

本文对基于平行排列3×3耦合器的光纤器件进行了研究。平行排列3×3耦合器不仅可以实现双端口光开关、全光缓存器、光纤谐振腔等器件,而且可以用作可调耦合比的耦合器。由于平行排列3×3耦合器的弱耦合特性和平行排列结构,使得基于平行排列3×3耦合器的光器件具有许多独特的特点。更重要的是,由于这种耦合器的平行排列结构,使得它很容易做成平板波导结构,形成各种集成光器件。     

硅基波导光开关及开关阵列的研究进展

光开关是光网络中实现光交换的核心器件.硅基波导光开关作为一类重要的开关器件,具有体积小、开关速度快、兼容性好等优点.近年来随着硅基波导制作技术的成熟,硅基波导光开关及开关阵列的研究日益受到人们的重视.文章介绍了SOI(silicon-on-insulater)光波导、聚合物光波导和SiO2光波导等三类常见的硅基波导在光开关及开关阵列方面的一些研究进展.     

基于悬浮波导的低功耗聚合物热光开关

设计制备了一种低功耗的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型聚合物热光开关器件,为降低开关的功耗,将器件加热区的调制臂波导设计成悬浮波导,从而抑制波导芯区处热量向硅衬底的扩散。模拟结果显示,相比于传统波导结构的热光开关,悬浮波导结构可以明显减少热扩散。利用半导体工艺成功制备了具有悬浮波导结构的热光开关器件,在1550 nm工作波长下,热光开关的功耗为9.3 mW,消光比为21 dB,开关的上升和下降时间分别为392μs和697μs。     

1.3μm波段单横模大功率输出量子点激光器

为了制备大功率、单横模输出的量子点激光器,对有源多模干涉波导结构进行了研究。通过优化器件结构设计,采用1×1型有源多模干涉波导结构,以均匀多层InAs/InGaAs/GaAs量子点材料作为有源区,制备了1.3μm波段的有源多模干涉结构量子点激光器。连续电流注入条件下的测试结果表明,与传统的均匀波导结构器件相比,有源多模干涉结构器件具有更低的串联电阻和更好的散热性能;在连续电流为0.5A的小注入情况下,器件的输出功率可达114mW、中心波长为1332nm。结果表明,有源多模干涉结构器件是制备大功率、单横模输出光发射器件的一种有效的器件结构。     

1.3μm波段单横模大功率输出量子点激光器

为了制备大功率、单横模输出的量子点激光器,对有源多模干涉波导结构进行了研究。通过优化器件结构设计,采用1×1型有源多模干涉波导结构,以均匀多层InAs/InGaAs/GaAs量子点材料作为有源区,制备了1.3μm波段的有源多模干涉结构量子点激光器。连续电流注入条件下的测试结果表明,与传统的均匀波导结构器件相比,有源多模干涉结构器件具有更低的串联电阻和更好的散热性能;在连续电流为0.5A的小注入情况下,器件的输出功率可达114mW、中心波长为1332nm。结果表明,有源多模干涉结构器件是制备大功率、单横模输出光发射器件的一种有效的器件结构。     

2×2 InP/InGaAsP MMI-MZI型光开关设计与实验

主要研究基于多模干涉耦合器(MMI)的2×2 InP/InGaAsP马赫曾德型(MMI-MZI)光开关.开关的特性采用BPM(光束传输法)进行器件建模、参数分析与性能优化.开关的结构按照传输波导保证单模传输、低偏振敏感要求进行了设计.光开关通过载流子电注入产生的载流子吸收和带填充效应改变移相臂传输光相位.实验测得光开关在控制电压为6.4 V时可实现交叉态到直通态的倒换,开关和关态串扰分别为-20.49 dB、-19.19 dB.这种开关具有结构紧凑、制作容差大和偏振无敏感等优点,它可以很方便地和其它半导体有源器件集成,在未来DWDM系统中有着非常广泛的应用前景.     

基于光子晶体多模波导的1．31／1．55μm双波长功分器的设计

设计了一种基于光子晶体多模波导的双波长光功分器,该器件能同时实现1.31 μm和1.55μm两种通信波长的光信号功率的平均分配,整个器件长度仅为15μm,是已报道的常规结构的182分之一.根据导模传输法,讨论了对称入射时光子晶体多模波导中的自映像效应,采用时域有限差分法模拟了光场在波导中的分布,入射场的单重像和二重像交替在波导中周期性地出现.并讨论了功分器的输出效率,及输出效率随位于单模波导与多模波导联结处的介电柱位置变化而产生的变化.     

集成光波导开关阵列真延时模块设计

阐述了光波导真延时器件的工作原理及其在相控阵雷达中的应用,通过氟化聚酰亚胺聚合物条形光波导和光开关阵列的集成,提出了一种集成光波导开关阵列真延时模块的设计方案,将光波导和开关阵列集成在一个基片上,具有集成度高、体积小、成本低、一致性好、插入损耗小等诸多优点.并根据光开关的种类分析了光学真延时模块的拓扑结构,改进了光开关和光波导的组合模式.     

用于传感的聚合物微谐振环的研制

对一种用于传感的聚合物微谐振环进行了研制.器件为多模耦合器结构,作为微谐振环的输入/输出耦合结构.微谐振环采用跑道形结构.首先分析了器件的原理,给出了器件的优化设计参数.采用紫外光敏材料SU-8和CYTOP作为波导芯层和下包层材料,制作了上述结构的微谐振环器件,并进行了测试.扫描电镜的结果显示,所制备器件的整体形貌比较清晰,波导结构均匀光滑,侧壁陡直度较高.采用截断法测得单模直波导的传输损耗约为2.2 dBcm.对多模耦合器(MMI)结构和弯曲波导的测试表明,MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50:50的功分比,且损耗较低,而纯弯曲波导结构的通光性能良好.测量得到的器件谐振输出光谱表明,器件在主谐振峰处的插入损耗约为38dB,自由光谱区(FSR)约为1.87nm.过数据处理分析得到弯曲波导的传输损耗约为5.2 dB/cm.提出了进一步降低器件损耗、改善器件性能的措施.     

光纤耦合波导器件中光波导深度的研究

声光波导光开关可以作为高速光通信网络中的开关器件,其中光纤-器件对接耦合损耗大是影响其性能的主要因素.从光波导模场椭圆度和不对称度对模场失配引起的耦合损耗出发,计算Ti:LiNbO3波导与光纤耦合损耗最小时对应的最佳Ti离子扩散深度.分析得到不同切型的Ti:LiNbO3,波导中扩散深度、光纤模场半径对耦合损耗的影响.结果表明,y切Ti:LiNbO3波导耦合损耗约为z切波导的3倍.研究结果为共面型声光波导调制器中光波导制作参数的设计提供帮助.     

新型低损耗1×3光分路器的优化设计

针对传统Y分支光分路器损耗较大的缺陷,采用直锥形波导代替传统的直波导来减小器件的尺寸,并且采用激模波导结构设计1×3分支波导.设计中,利用辐射模和本征基模的叠加来修正光波场,通过改善模匹配来降低分支耦合损耗,并通过对对称输出弯曲分支波导的优化来降低弯曲损耗,最后在1×3光分路器中的两弯曲波导的输入端加入过渡锥形波导来降低损耗和优化分路器的输出均匀性,并用有限差分光束传播法对该1×3分支波导进行数值模拟.模拟结果表明,该结构具有均匀性好、器件尺寸小、损耗小和结构简单等优点,有利于器件的进一步集成.     

表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振

正表面等离激元Fano共振是由金属纳米结构中窄带的暗态和宽带的明态相互耦合产生的,由于它具有陡的非对称响应谱和场增强效应,因此在纳米光子器件中具有重要应用,如调制器、光开关、传感器等。利用有限元和散射矩阵理论相结合的方法研究了表面等离激元波导-腔结构中Fano共振的物理机制,包括耦合谐振腔效应、多模共振耦合效应等、基于上述表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振,实现了分柬、光开关、传感器等纳米光子器件、由于表面等离激元波导具有亚波长束缚并在芯片上易于集成,这些基于表面等离激元波导-腔结构的纳米光子器件在高度集成光子回路中具有重要应用前景、     

一种新型2×2 SOI热光开关

设计并制作了一种新型的SOI 2×2马赫-曾德(MZ)热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的配对多模干涉耦合器,同时,为了保证单模传输和调制,在连接波导和调制臂区域采用了浅刻蚀结构.深刻蚀结构增强了多模干涉耦合器对光场的限制,有利于自映像质量的提高,从而减少了自映像损耗和不均衡度,同时也提高了制作容差.基于强限制配对干涉耦合器的新型热光开关,其插入损耗为-11.0 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗-4.3 dB,上升和下降开关时间分别为3.5μs和8.8μs.     

紧缩型SOI多模干涉光开关的设计

提出了一种新的紧缩型SOI多模干涉(MMI)光开关。开关由单模输入输出波导和MMI耦合器组成。通过在多模波导区域引入调制区,利用Si的等离子色散效应(PDE)改变调制区的折射率来实现开关动作。用FD-BPM方法对开关的工作原理和性能进行了模拟与分析。结果表明,光开关良好的综合性能,而整个开关的长度只有7mm。     

MMI阵列波导光栅复用/解复用器的研制

详细分析了基于自镜像效应的MMI DMUX器件的基本工作原理,在此基础上,在SOI材料上完成了对8信道MMI DMUX的具体设计.该器件的输入、输出单模波导采用Soref的大截面脊形光波导理论进行优化设计,最后获得了当输入、输出单模波导宽度为5μm,SIE多模波导宽度和长度分别为72μm和6313.4μm时,该器件对8信道波长的隔离度均在35dB以上,且理论传输损耗＜0.18dB.     

MMI阵列波导光栅复用/解复用器的研制

详细分析了基于自镜像效应的 MMI DMUX器件的基本工作原理 ,在此基础上 ,在 SOI材料上完成了对 8信道 MMI DMU X的具体设计 .该器件的输入、输出单模波导采用 Soref的大截面脊形光波导理论进行优化设计 ,最后获得了当输入、输出单模波导宽度为 5 μm,SIE多模波导宽度和长度分别为 72 μm和 6 313.4μm时 ,该器件对8信道波长的隔离度均在 35 d B以上 ,且理论传输损耗 <0 .18d B.