高均匀性1×4多模干涉耦合器的研究与设计

针对多输出端口输出光功率的不均匀性问题,文章设计了一种基于绝缘体上硅(SOI)的1×4多模干涉(MMI)耦合器,提出了一种优化其均匀性的新方法。耦合器输入/输出端采用锥形波导,为提升MMI耦合器的均匀性,对输出端锥形波导采用不等宽设计,通过优化,四路输出端口均匀性高达0.007 4 dB,而总的插损仅有0.058 dB。依据该方法最终使得输出端波导的传输常数失配,避免了波导之间的串扰,实现了对MMI耦合器输出端口均匀性的提升。     

基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器

提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器.该调制器由硅基光子晶体平板波导、纳米线波导和光子晶体多模干涉耦合器(MMI)构成。在光子晶体与纳米线波导连接处采用了锥型结构,用于减少模式失配造成的损耗。利用时域有限差分法(3D-FDTD)进行仿真分析,结果表明,该调制器在工作波长1 550 nm下的插入损耗为0. 3 dB,消光比为15. 1 dB,器件尺寸仅46μm×8μm×0. 22μm,调制带宽可以达到68 GHz,且工作区域覆盖了以1 551 nm为中心波长20 nm的通信波段。该调制器结构紧凑,易于集成,可应用于高速光通信系统。     

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.     

4×4热光SOI波导开关阵列

设计并制作了阻塞型和完全无阻塞型4×4热光SOI(silicon-on-insulator)波导开关阵列。开关单元采用了多模干涉耦合器(MMI)-MZI(Mach-Zehnder interferometer)结构的2×2光开关。阻塞型光开关附加损耗为4.8～5.4dB,串扰为-21.8dB～-14.5dB。完全无阻塞型光开关阵列附加损耗为6.6～9.6dB,串扰为-25.8～-16.8dB。两者的消光比都在17～25dB内变化,开关单元功耗小于230mW。器件的开关时间小于3μs。功耗和开关速度都明显优于SiO2基和聚合物基的开关阵列。     

离子交换制作0.85μm MMI光功分器的仿真研究

提出了利用离子交换技术制作多模干涉(MMI)型光功分器的设计方法.以1×8MMI光功分器为例,采用导模传输分析法分析了器件基本原理,对离子交换制作波导的折射率分布进行了讨论.针对工作波长为0.85μm的1×8MMI光功分器结构参数进行了设计,对器件输出特性、各项技术指标、离子交换决定的折射率差Δn对器件性能的影响均进行了BPM仿真,结果表明:利用离子交换方法制作MMI型光功分器,设计指标可达到均匀性约0.009dB、平均插入损耗约9.111dB和最大插入损耗约9.116dB,均优于现有器件的指标.     

聚合物双环谐振滤波器的研究

设计了一种基于多模干涉(MMI)耦合输入/输出结构的跑道型双微环串联谐振滤波器,并采用紫外光敏聚合物材料SU-8作波导芯层,聚合物CYTOP为下包层,在硅基底上完成了器件的制备.器件的波导端面尺寸为2 μm×1 μm,与设计值相符,扫描电镜显示所制备的器件波导侧壁陡直度较高.直波导传输损耗的测试结果表明,在1550 nm波长,直波导传输损耗约为2.0 dB/cm.测试并获得了多模干涉结构和器件的通光及输出光谱图\.测试结果表明,MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50∶50的功分比,微环谐振滤波器的通光性能良好,实现了滤波功能,器件的自由光谱区FSR实际值约为0.94 nm,与设计参数值很接近.研究结果表明采用聚合物SU-8制备小波导尺寸微环谐振器的器件简便可行.     

一种紧缩型的SOI 3-dB多模干涉耦合器

采用线锥形结构,在silicon-on-insulator (SOI)材料上设计并实现了一种新的紧缩型3-dB多模干涉耦合器(MMI).与普通的矩形结构3-dB MMI耦合器相比,该器件长度减少了40%.耦合器输出均衡度为1.3dB,过剩损耗为2.5dB.     

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.     

基于MMI的聚合物1×16光功分器的设计及飞秒激光制备

高传输损耗和器件尺寸是限制光通信系统性能的关键问题,为此以光束传播法(BPM)设计仿真、利用飞秒超快加工技术制备了基于多模干涉耦合器(MMI)的聚合物1×16光功分器,器件尺寸小于22000μm。仿真结果表明平均插入损耗小于23dB,均匀性1.27dB。测试在1550nm波段,1×16光功分器平均插入损耗小于23dB,均匀性1.48dB。基于SU8胶材料仿真了用于光电电路板垂直耦合的光波导结构,利用时域有限差分法(FDTD)分析空间位置偏差对光纤与45°微反射镜的耦合效率影响,得到最佳耦合位置和最大耦合效率86.1%。结果表明器件具有易制备,较低的制备容差敏感度和结构紧凑的优点,符合光电集成和批量生产要求,对光分路器的设计和生产工艺有一定的参考价值。     

硅基槽波导级联多模干涉耦合器型偏振分束器

提出了一种基于硅基槽波导的级联多模干涉(MMI)耦合器型偏振分束器,由锥形及矩形结构MMI耦合器构成.级联结构使器件长度无需为两偏振模自镜像长度的公倍数,不仅能有效减小器件尺寸,而且提高设计灵活性.同时,利用槽波导的高双折射特性及MMI耦合器的锥形结构,可进一步缩短器件尺寸.分析结果表明,所提器件能够有效实现偏振束分离,两级MMI工作区总长度仅为42μm,准TE与准TM模的偏振消光比分别为29.8和31.4d B,1.55μm波长下的插入损耗分别为0.395和0.699 d B,偏振消光比大于20 d B时光带宽为43 nm,覆盖整个C波段.最后,详细分析了器件关键参数的制造误差对器件性能的影响.     

4×4区域调制多模干涉耦合器SOI光波导开关的设计

根据区域调制多模干涉耦合器光开关的工作原理,以2×2区域调制多模干涉光开关为基础,采用级联的方式设计了4×4区域调制多模干涉SOI光波导开关.用有限差分二维BPM方法模拟了器件在不同工作状态下的光场传输情况.器件工作波长为1.55μm,在不计耦合损耗时器件的平均插入损耗小于2.0dB/cm.     

新型2×2聚合物波导垂直耦合器的研究

对2×2聚合物波导垂直耦合器的理论设计和制作过程进行了研究.首先,利用光束传播法(BPM)设计并研究了垂直耦合器的关键参数(交叉角、垂直耦合层厚度)与耦合效率和消光比之间的关系.模拟结果表明,耦合效率最高为93%,消光比最高为29dB.其次,利用标准光刻工艺制作了波导尺寸为4×4 μm,垂直耦合层厚度为2μm,相对交叉角为1.0°的聚合物波导垂直耦合器.实验结果表明,采用聚合物制备波导垂直耦合器,具有工艺简单、灵活的优点.     

基于聚合物多模干涉器的大容差相干光混频器

根据多模干涉器(MMI,multimode interferome ter)的自映像效应,设计了基于2×4MMI 的聚合物相干光混频器,优化光混频器结构参数;采用模式转换设计解 决多模波导的 自映像与单模波导模式失配的问题,从而进一步提高其性能。仿真结果表明,优化后的光混 频器其传输损耗 小于6.3dB,传输不均衡性小于1dB,相位误差小于1°,并且MMI长 度与宽度的设计容差分别达到40μm 和0.5μm。根据设计制备了聚合物光混频器,通过实验表征了此光 混频器的传输性能。在C波段下的测量 结果表明,其传输损耗小于10dB,不均衡性在0.5～1. 5dB之间,相位误差小于10°, 而达到这些性能的MMI长度与宽度的器件容差分别为25μm和0.5μm,均大于制备过程中0.1μm的工艺容差。测 量结果与理论模拟结果基本吻合。本文的聚合物光混频器成本低、容差高,对实现高集成度 相干接收机具有实际意义。     

基于多模干涉波导结构的90°光混频器设计与制作

设计并制作了一种基于多模干涉波导(MMI)结构的InP基90°光混频器芯片,该芯片的波导层材料为InGaAsP,包层和衬底材料为InP,芯片的单模波导宽度设计为2.6μm,多模干涉波导的长度和宽度分别设计为844和20μm。采用三维光束传播法(3D BPM),仿真分析了波导材料折射率、厚度、宽度和长度的工艺误差容限,仿真结果表明在1 535～1 565 nm波长范围内所设计的光混频器芯片的净插入损耗小于1 dB,相位偏差小于±5°。实验测试结果与仿真结果一致。     

一种新型2×2 S0I热光开关

设计并制作了一种新型的SOI 2×2马赫一曾德（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-11．0dB，其中包括光纤波导耦合损耗4．3dB，上升和下降开关时间分别为3．5μs和8．8μs。     

湿法腐蚀制备的SOI光波导

用化学湿法腐蚀的方法制作了SOI光波导,并且用三维波束传播方法分析和设计了单模波导和1×2 3dB多模干涉分束器,修正了有效折射率和导模传输方法的误差.制作的器件具有低传输损耗(-1.37dB/cm)、低附加损耗(-2.2dB)、良好的均衡性(0.3dB)等优良性能.     

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.     

1.55μm SiGe 2×3光开关

利用多模干涉效应和自由载流子等离子体色散效应设计和模拟了基于1.55μm波长的2×3 SiGe光开关.该光开关由两个单模输入端口、一个多模干涉区和三个单模输出端口构成.在多模干涉区,设有两个折射率调制区,可以利用来把从两个输入端口输入的光信号分别从三个输出端口输出.束传播法分析结果表明,该光开关的传输损耗小于1.43dB,串扰在-18～-32.8dB之间.     

1.55μm SiGe 2×3光开关

利用多模干涉效应和自由载流子等离子体色散效应设计和模拟了基于1.55μm波长的2×3 SiGe光开关.该光开关由两个单模输入端口、一个多模干涉区和三个单模输出端口构成.在多模干涉区,设有两个折射率调制区,可以利用来把从两个输入端口输入的光信号分别从三个输出端口输出.束传播法分析结果表明,该光开关的传输损耗小于1.43dB,串扰在-18～-32.8dB之间.     

顶部平坦化32通道AWG的设计与研制

根据优化输入端多模干涉器(MMI)结构设计,研制出32通道50 GHz通道间隔、顶部平坦化的阵列波导光栅(AWG)器件。该器件的采用6μm×6μm折射率差为0.75%的Si基SiO2埋型波导结构,阵列波导数为130,罗兰圆半径为9 419.72μm,相邻阵列波导长度差为128.42μm。测试结果表明:AWG器件插入损耗(IS)为-5~-8.5 dB,串扰>-25 dB,3 dB带宽>0.25 nm。