聚合物波导光栅耦合器的衍射场仿真

为了实现横截面尺寸为50 m50 m的聚硅氧烷聚合物光波导的耦合转向问题,设计了一种表面覆盖高折射率包层的多层蚀刻光栅耦合器。首先,分析了影响聚合物波导光栅耦合器耦合效率的结构因素;然后,采用在光栅表面蚀刻高折射率层的方法,提高了聚合物波导光栅耦合器的耦合效率;接着,对不同的周期（范围:100~4 000 nm）和不同的蚀刻深度（范围:0~50 000 nm）进行排列组合,形成不同的光栅结构,基于时域有限差分法编写程序,遍历所有情况,得到不同光栅结构下的光场情况以及其耦合效率,找到使耦合效率最大的周期以及蚀刻深度。最后,设计了多层蚀刻的光栅耦合器,进一步提高耦合效率。当蚀刻深度为5 000 nm,光栅周期为2 600 nm时,带高折射率层的聚硅氧烷聚合物光波导均匀光栅耦合器的耦合效率达到最大,为17.2%。采用多层蚀刻的方式,对结构进行优化,其耦合效率能达到37.4%。为聚硅氧烷聚合物光波导在光互连中的实际应用提供了理论依据。     

GaAs非对称波导形耦合器研究

在(100)GaAs同质结外延衬底上(波导层厚3μm,杂质浓度n~-≈10~(15)/cm~3)研制了非对称波导X交叉型3dB耦合器,对称波导条宽6μm,分叉角0.8°;非对称波导宽臂条宽6.5μm,窄臂条宽5.5μm。分叉角0.4°,波导脊高1μm。实验结果证明,该器件具有良好的3dB耦合特性,并获得15dB的消光比,可以成为集成光学的基础元件之一,在研制2×2集成光学器件方面有广泛地应用前景。     

大功率小垂直发散角980nm量子阱激光器

提出了一种新型非对称宽耦合波导结构,通过理论计算优化了结构中n型波导层和限制层厚度,并采用低压金属有机化学气相沉积方法生长了设计的器件结构.测试了器件的光电特性,1200μm腔长器件的阈值电流为590 mA,斜率效率为0.96 w/A,最大输出功率达2000mW;当注入电流为0.6 A时,其远场发散角为16.1°(θ⊥)×10.2°(θ//).实验结果表明:新型非对称宽耦合波导结构能实现器件大功率输出,有效减小器件远场垂直发散角,改善器件光束质量.     

一种光集成定向耦合器的优化

本文研究的定向耦合器是由两条平行的光波导组成,每个波导具有三个折射率台阶。折射率分布与工作波长约为λ=1.3μm四元的InGaAsl'/InP装置相符合。在2C—150λ范围内给定一个耦合器长度,为了获得最高耦合效率,对各层的折射率和厚度进行了优化。     

模耦合与双折射对NOLM开关特性的影响

从光耦合器的耦合方程出发 ,全面分析了光耦合器与环路光纤的模耦合与双折射对NOLM开关特性的影响。研究表明 ,在耦合器为弱耦合条件下 ,环路光纤的模耦合和耦合器的分光比是影响NOLM开关效率和消光比的最重要的因素。只要环路光纤的模耦合角为零 ,分光比为 1:1,其他因素的影响均可忽略。若要求消光比优于 10dB ,环路光纤的耦合角应小于 4°     

基于SOI的2×2 MMI耦合器的设计

设计了一种可用于阵列波导光栅(AWG)解调集成微系统的绝缘体上硅(SOI)基2×2多模干涉(MMI)耦合器,用光束传播法(BPM)对MMI耦合器进行了模拟。耦合器输入/输出波导采用倒锥形,多模干涉区尺寸为6μm×57μm。在TE偏振中心波长为1.55μm时,器件附加损耗为0.46dB,不均匀性为0.06dB。在1.49～1.59μm波长范围内耦合器的附加损耗小于1.55dB。仿真结果表明所设计的2×2MMI耦合器体积小、附加损耗低、波长响应范围宽、分光均匀,符合片上集成系统的要求。     

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。     

基于SOI的高Q微环谐振腔的研究

利用时域有限差分法,对基于绝缘体上硅(SOD的微环谐振腔的微环波导宽度对传输性能、Q值的影响进行了理论分析与仿真.研究结果表明,单模条件下,波导越宽,Q值越大.仿真优化结果表明微环半径为10μm、微环波导宽度为600 nm时,1.55 μm附近的谐振峰的消光比为18.2 dB,计算出Q值约为2.2×105.进一步研究了微环与直波导间距、平板高度对Q值的影响.耦合间距增大时,由于耦合效率降低,Q值则逐渐提高;随着平板区厚度的减小,辐射损耗会越小,因此Q值增大.研究结果为微环谐振腔的进一步优化和设计提供了参考.     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器.     

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.     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器     

三维集成光学芯片中波导之间的耦合研究

为了实现高集成度和高稳定性的三维光学芯片,必须对三维空间波导的耦合特性进行系统研究.本文主要研究三维集成光学芯片中波导之间的耦合问题.通过全波仿真的方法数值模拟波导阵列在不同架构下的电场分布,并分析平行波导间和交叉波导间的耦合效率与波导间距、周围介质折射率、工作波长和夹角之间的关系.在平行波导中,当两个SiO2基片上波导之间的中心间距为0.76 μm和耦合长度为72.5 μm时,垂直方向上波导间的耦合效率达到0.997.在交叉波导中,波导之间的耦合效率对波导夹角很敏感,当夹角大于10°时,波导间不发生耦合,可以通过调整波导间的夹角来控制波导之间的耦合.     

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.     

可调谐氮化硅波导微环谐振腔滤波器研究

设计并制备了一种基于热光效应的集成可调谐氮化 硅(Si₃N₄)波导微环谐振腔滤波器,通过采用马赫-曾德干涉仪(MZI)构成的可调谐 耦合器控制耦合区耦合比,以实现滤波器消光比的调谐。设计并优化了微环谐振 腔的波导截面尺寸、弯曲半径和耦合区波导间隔等参数,并通过光刻、反应离子刻蚀(RIE )等工艺制备 了两种不同弯曲半径的Si₃N₄波导微环谐振腔。实验结果表明,本文器件在波长1550nm附近处的自由光谱 范围(FSR)为68pm,3dB带宽约为16pm,品质因子Q达到了9.68×10 4,消光比可调范围约为17dB。     

聚合物/SiO2混合波导2×2热光开关的制备与测试

利用聚合物材料SU-8作为芯层、聚合物材料PMMA作为上包层、无机材料SiO2作为下包层,设计并制备了一种有机/无机混合波导2×2定向耦合-马赫曾德尔(DC-MZI)热光开关。为了保证波导中的单模传输、减小模式辐射和衬底泄露损耗、缩短响应时间并降低器件功耗,对其结构参数做了优化。利用涂膜、湿法刻蚀等工艺制备了器件样品。在1 550nm波长下,器件的交叉态和直通态的驱动功率分别为0和7.8mW(开关功率为7.8mW),交叉态和直通态的两端口串扰分别为-9dB和-12.8dB。在方波驱动电压信号作用下,测得器件交叉端口的上升时间和下降时间分别为138μs和136μs,直通端口的上升时间和下降时间分别为63μs和140μs。制备的混合结构器件综合利用了芯层聚合物材料热光系数大、上/下缓冲层厚度均较小以及Si/SiO2导热系数大的优点,因此同时具备了较低的功耗和较快的响应时间,在低功耗、快速光通信系统中具有较好的应用前景。     

基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器

利用有限元方法和时域有限差分方法,优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难,且模式失配会引入一些损耗,因此波导间隙取约100nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙,使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3μm,偏振分束器的消光比大于15dB时,波导宽度制作容差为-20～10nm,带宽约为50nm。     

基于Banyan网络的无阻塞SiO2波导4×4矩阵光开关

提出了一种基于Mach-Zehder干涉仪(MZI)结构开关单元和Banyan网络的严格无阻塞4×4矩阵光开关.相对于Crossbar结构的7级单元级联,Banyan结构只需3级连接.分析了Banyan网络中交叉连接损耗与交叉角度的关系,交叉角30°时损耗为0.09 dB.优化设计了MZI开关单元结构,并制作了2×2光开关,测得插入损耗(IL)为-14 dB、串扰(XT)为-38 dB和功耗为450 mW.设计了基于Banyan网络的4×4光开关,连接波导交叉角为30°.基于光波导平面光波线路(PLC)技术,制作了严格无阻塞的SiO2波导4×4矩阵光开关,测得平均IL为3.95 dB、通道XT为-37 dB、偏振相关损耗(PDL)为0.4 dB、单通道开关功率约为670 mW及开关响应时间小于1 ms.     

1.3μm GeSi/Si异质结波导光栅耦合器的设计

分析了导模-辐射模耦合理论和利用经塔米尔的传输回路方法论改造过的扰动理论进行解析的结果。根据上述理论对1.3μm GeSi/Si异质结波导光栅耦合器波导层的厚度、槽形、长度、宽度、周期、槽深等做了近似的设计。     

基于稀释波导的InP衬底上高耦合效率、低偏振敏感度1.55μm波长光纤-波导耦合器

研究了一种用于边入射型探测器的InP基高效光纤-波导耦合器.它由10个周期的未掺杂120nm InP/80nm InGaAsP(1.05μm带隙)多层膜组成的稀释波导构成.采用半矢量三维束传播(BPM)方法以及中心差分格式,模拟了不同条件下的光纤-波导耦合效率,从而得到了最优耦合条件.对于TE偏振和TM偏振模,计算所得到的最高耦合效率分别为94%和92%.同时,计算表明,此类基于稀释波导的光纤-波导耦合器具有高偏振不敏感性,偏振敏感度低于0.1dB.     

基于稀释波导的InP衬底上高耦合效率、低偏振敏感度1.55μm波长光纤-波导耦合器

研究了一种用于边入射型探测器的InP基高效光纤-波导耦合器.它由10个周期的未掺杂120nm InP/80nm InGaAsP(1.05μm带隙)多层膜组成的稀释波导构成.采用半矢量三维束传播(BPM)方法以及中心差分格式,模拟了不同条件下的光纤-波导耦合效率,从而得到了最优耦合条件.对于TE偏振和TM偏振模,计算所得到的最高耦合效率分别为94%和92%.同时,计算表明,此类基于稀释波导的光纤-波导耦合器具有高偏振不敏感性,偏振敏感度低于0.1dB.