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集成波导转弯微镜型阵列波导光栅的研制

作　者: 贾科淼
导　师: 杨建义
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 阵列波导直波导微镜弯曲波导波分复用器件硅材料脊型波导平面光波导器件器件结构芯片尺寸
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

光波分复用器件是密集波分复用(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing)系统的核心器件之一。现有的可以实现波分复用功能的器件结构有多种,如多层介质薄膜滤波器(MDTFF: Multiple Dielectric Thin Film Filter),光纤布拉格光栅(FBG: Fiber Bragg Grating),阵列波导光栅(AWG: Arrayed Waveguide Grating)等。其中,阵列波导光栅AWG以其出色的性能特点在光波分复用器件中具有重要的地位,尤其在多通道数(如40通道以上)时的器件结构选择中,AWG占有绝对优势。而硅材料不仅是微电子与微机电系统(MEMS: Micro-Electro-Mechanical-System)的基础材料,同时也凭借着出色的光电特性成为集成光学的主要材料之一。本文便是要研究基于绝缘体上的硅材料的AWG。弯曲波导是平面光波导器件中不可缺少的结构单元。尤其是在AWG的设计中,阵列波导部分几乎不可避免的都采用弯曲波导来实现。然而由于SOI上弯曲波导的曲率半径较大,基于SOI材料的AWG芯片尺寸很难做小。论文将集成波导转弯微镜(IWTM: Integrated Waveguide Turning Mirror)引入到AWG的设计,用直波导集成转弯微镜的结构代替传统AWG中的弯曲波导,组成器件的阵列波导部分,成功减小了器件的尺寸。论文首先归纳了SOI脊型波导的性质,包括脊型波导单模条件,有效折射率,弯曲波导损耗,波导-波导耦合,波导-光纤耦合,偏振相关特性等。同时,论文也对基于SOI材料的集成波导转弯微镜的结构及损耗、偏振特性作了总结。文中采用传统AWG设计方法确定了SOI上IWTM-AWG的结构参数。特别地,对IWTM-AWG的阵列波导部分的结构进行了细致的设计。该设计不仅满足了相邻阵列波导长度差相等,同时也保持了器件的对称性。论文从损耗,偏振相关性和串扰三方面对这一设计展开了详细的计算和分析讨论,并结合工艺实验,设计了器件版图,其中阵列波导部分的绘制采用了Matlab编程的方法,大大减小了错误几率。本文对工艺中的关键步骤做了实践和总结,优化了工艺参数。通过对器件进行加工,测试,最终研制出基于SOI材料的1×8 IWTM-AWG。器件的片内损耗在10dB以内,通道间串扰-23dB。3dB带宽0.25nm,通道间隔1.58nm,偏振相关中心波长漂移0.068nm。从目前的实验结果来看,器件的尺寸确实得以明显的

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-28
  §1.1 引言  9-10
  §1.2 DWDM技术的历史与未来  10-13
  §1.3 光波分复用／解复用器的发展现状  13-18
    §1.3.1 多层介质薄膜波分复用器件MDTFF  14-15
    §1.3.2 光纤布拉格光栅FBG型波分复用器件  15-16
    §1.3.3 阵列波导光栅AWG型波分复用器件  16-18
  §1.4 平面光波导技术的主要材料  18-23
    §1.4.1 二氧化硅材料(Silica)  18-19
    §1.4.2 铌酸锂材料(LiNbO_3)  19-20
    §1.4.3 Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料  20
    §1.4.4 聚合物材料(Polymer)  20
    §1.4.5 绝缘体上的硅材料(SOI)  20-23
  §1.5 本文的工作  23-28
    §1.5.1 本文的意义  23
    §1.5.2 其余章节内容安排  23-28
第二章 SOI脊型波导及集成波导转弯微镜  28-42
  §2.1 脊型波导单模条件及有效折射率的计算  28-31
    §2.1.1 脊型波导单模条件  28-30
    §2.1.2 脊型波导有效折射率的计算  30-31
  §2.2 SOI材料上脊型波导损耗分析  31-35
    §2.2.1 SOI材料上脊型波导弯曲损耗  31-32
    §2.2.2 脊型波导与平板波导的过渡损耗  32-33
    §2.2.3 脊型波导与光纤间的耦合损耗  33-35
      §2.2.3.1 菲涅耳反射损耗  33-34
      §2.2.3.2 波导与光纤的模式失配损耗  34-35
  §2.3 集成波导反射微镜IWTM  35-38
    §2.3.1 镜面粗糙度R_Q对反射损耗的影响  36-37
    §2.3.2 镜面大小对反射损耗的影响  37
    §2.3.3 镜面中心与波导中心的相对平移(d)对反射损耗的影响  37-38
    §2.3.4 镜面与波导的角度偏移对反射损耗的影响  38
  §2.4 SOI脊型波导及IWTM的偏振特性  38-40
  §2.5 本章小结  40-42
第三章集成转弯微镜的阵列波导光栅的设计  42-65
  §3.1 传统阵列波导光栅的设计方法  42-45
  §3.2 AWG各种性能参数的优化  45-50
    §3.2.1 降低AWG插入损耗的方法  45-47
    §3.2.2 AWG串扰因素及降低串扰的方法  47
    §3.2.3 消除AWG偏振效应的常用方法  47-49
    §3.2.4 AWG滤波谱线的平坦化  49-50
  §3.3 SOI上IWTM-AWG的设计与分析  50-62
    §3.3.1 IWTM-AWG的结构及设计  51-56
      §3.3.1.1 IWTM-AWG基本结构参数的确定  52-53
      §3.3.1.2 IWTM-AWG阵列波导部分结构参数的确定  53-56
    §3.3.2 阵列波导部分对IWTM-AWG性能的影响  56-62
      §3.3.2.1 集成IWTM的阵列波导对器件损耗的影响  56-58
      §3.3.2.2 集成IWTM的阵列波导对器件偏振相关性的影响  58-60
      §3.3.2.3 集成IWTM的阵列波导对器件串扰的影响  60-62
  §3.4 本章小结  62-65
第四章 IWTM-AWG的制作，测试及结果分析  65-77
  §4.1 基础工艺研究  65-73
    §4.1.1 光刻  65-68
      §4.1.1.1 版图绘制  66-67
      §4.1.1.2 光刻工艺  67-68
    §4.1.2 电感耦合等离子体刻蚀ICP  68-71
    §4.1.3 端面研磨抛光  71-73
  §4.2 芯片的测试及结果讨论  73-75
  §4.3 本章小结  75-77
第五章总结  77-80
致谢  80

集成波导转弯微镜型阵列波导光栅的研制

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