基于长周期光栅的模斑转换器研究

作     者：邓佳瑶 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈开鑫

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：光子集成技术 长周期光栅 模斑转换器 耦合损耗 

摘      要：目前全球信息技术空前活跃,在各种大数据应用的推动下,数据流量出现爆发式增长,必须不断提高光子集成技术才能满足市场对通信速率和带宽的高需求。虽然光子集成技术已经掀起了十几年的研究热潮,但是目前仍处于初级阶段,打破光子集成领域的瓶颈,实现光子集成器件的创新势在必行。光子集成材料的种类丰富多样,主要包括铌酸锂(Li Nb O,LN)薄膜、绝缘体上的硅(Silicon On Insulator,SOI)和氮化硅(SiN)薄膜等,它们具有折射率对比度高、波导弯曲半径小和传输损耗低等优势。通常,基于这些平台制作的波导的截面尺寸都属于纳米级别,远小于普通单模光纤的截面尺寸,这导致纳米波导模式的模场与光纤模式的模场严重失配,从而极大地增加光纤-纳米波导的耦合损耗。有效降低这种耦合损耗,是光子集成技术发展的必经之路。目前主流的解决方案包括边缘耦合器和垂直光栅耦合器,这些器件都存在一些难以解决的问题,比如光刻工艺精度要求严苛、制作工艺复杂和封装难度大等。针对这些问题本文提出了一种结构新颖的长周期光栅(Long Period Grating,LPG)模斑转换器。论文的主要工作如下:首先,介绍了研究光纤-纳米波导耦合器对光子集成发展的重要意义,然后介绍了边缘耦合器与垂直光栅耦合器在国内外的研究现状,然后在此基础上提出本文的长周期光栅模斑转换器。其次,介绍了与长周期光栅模斑转换器相关的理论知识,包括条形波导和脊形波导的理论分析、模式的对接耦合理论、长周期光栅的模式耦合理论和聚合物光波导的热光效应等。然后,结合理论知识和光学仿真软件对器件进行了数值分析,计算了氮化硅脊形波导和聚合物Epo Core包层条形的尺寸,以及长周期光栅的周期和长度等参数。模拟仿真了器件的光学传播特性,得到了器件沿传输方向的模场分布和透射光谱图。然后根据数值仿真结果,绘制了芯层波导、包层波导和长周期光栅掩模版。最后,介绍了器件制作的工艺流程,并对器件进行了通光和插入损耗测试。实验结果表明,长周期光栅的转换效率高达90%,长周期光栅模斑转换器可以将超高数值孔径光纤(Ultra-High Numerical Aperture Fiber,UHNAF)的LP模式与氮化硅脊形波导的E模式之间的耦合效率提高约9.1%。