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集成光波导光延迟技术研究

集成光波导光延迟技术研究

作者：史倩电子科技大学

学位级别：硕士

相比于电子,光传输具有更快的速率,而且光子作为载体不易受电磁场干扰,因此集成光学已经成为信息化社会发展的必然趋势。随着集成光学的发展,集成光波导无论在材料还是制作工艺方面都得到了很大的改善,基于集成光波导的延迟技术相比基... 详细信息

相比于电子,光传输具有更快的速率,而且光子作为载体不易受电磁场干扰,因此集成光学已经成为信息化社会发展的必然趋势。随着集成光学的发展,集成光波导无论在材料还是制作工艺方面都得到了很大的改善,基于集成光波导的延迟技术相比基于光纤、光纤光栅和高色散光纤等的延迟技术,其延时精度更高、损耗低、体积小、重量轻、易于集成并且稳定性好,所以成为近年来的研究热点。本文的研究为光波导延迟线提供了较为详细的理论分析和设计基础。首先介绍了硅基光波导材料的发展,以及光波导延迟线的国内外发展现状。接着用导波光学理论对光波导进行分析,采用有限差分束传输法分别建立了二维和三维仿真模型,应用Rsoft软件和Matlab软件分别对SOI、SiO2和Si3N4波导就不同的结构、横截面尺寸、曲率半径对弯曲损耗的影响以及平行波导之间的耦合进行了仿真分析,设计出低损耗的光波导结构。然后在以上仿真基础上使用bend-simulated方法对设计出的SOI、Si3N4和SiO2弯曲波导进行优化,并就这三种材料的波导分别设计了直接转向型Y分支和S弯曲型Y分支,分析对比了两种Y分支结构的优缺点。最后在此基础上完成了一个1×8的基于SiO2条形光波导的延迟线方案设计。SiO2条形波导具体的结构参数为宽7μm,高7μm,折射率差?为0.36%。光波导的延迟路径采用级联三级Y分支,构成一个1×8光分束器。延迟线阵列版图的尺寸大小为1.3 cm×1.1 cm,最小弯曲半径为5 mm,总损耗为1.88 dB,各通道具有良好的损耗一致性,相邻信道延时差为12.5 ps,总共可以实现0~87.5 ps的延时。

关键词：光波导延迟线有限差分束传播法硅基光波导 Y分支光波导

BPMF-SRM混合法分析SOI脊形波导与光纤耦合

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光子学报 2005年第2期34卷 222-225页

作者：刘敬伟陈少武余金中中国科学院半导体所光电中心北京100083

摘用束传播自由空间辐射模 (BPM F-SRM)混合法计算了SOI脊形波导和光纤耦合时的透射率,提出计算反射率的积分公式将该混合法和一般FSRM、菲涅尔公式重叠积分法的计算结果相比较,提出只有在弱导条件下,传统的菲涅尔公式法和重叠积分... 详细信息

摘用束传播自由空间辐射模 (BPM F-SRM)混合法计算了SOI脊形波导和光纤耦合时的透射率,提出计算反射率的积分公式将该混合法和一般FSRM、菲涅尔公式重叠积分法的计算结果相比较,提出只有在弱导条件下,传统的菲涅尔公式法和重叠积分法才可以同时使用.

关键词：自由空间辐射模法有限差分束传播法 SOI脊形波导耦合透射反射

聚合物电光调制器中马赫-曾德尔波导的算子展开法分析

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光学学报 2010年第6期30卷 1597-1602页

作者：廖进昆李和平唐雄贵陆荣国张晓霞刘永智电子科技大学光电信息学院四川成都610054

利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布,将三维光传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,采用慢变包络和傍轴近似,得出传播光场满足的单步传输约束关系;运用微分算子的级数展开得到相应的递归公式,考虑... 详细信息

利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布,将三维光传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,采用慢变包络和傍轴近似,得出传播光场满足的单步传输约束关系;运用微分算子的级数展开得到相应的递归公式,考虑微分算子的差分近似得出基本的计算格式;运用对称矩阵的相似变换对算子展开法进行加速处理。在此基础上,对马赫-曾德尔(M-Z)型光波导中TM模的传播特性进行理论分析,研究了脊宽、分支角等结构参数对插入损耗的影响。研究表明,算子展开束传播法可以较好地解决聚合物脊形M-Z波导的理论分析和设计问题。该方法精度高、计算量小,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。

关键词：电光聚合物马赫-曾德尔光波导微分算子算子展开束传播法有限差分束传播法

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聚合物Y分支波导的TM模分析

激光杂志 2007年第1期28卷 14-15页

作者：陆荣国刘永智廖进昆张长命廖翊韬电子科技大学成都610054

本文利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用Crank-Nicholson差分格式,得出有限差分束传播法的基本方程。对Y分支波导结构中TM... 详细信息

本文利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用Crank-Nicholson差分格式,得出有限差分束传播法的基本方程。对Y分支波导结构中TM模的传播及损耗特性进行理论分析,得出了优化的结构参数:Y分支角α=1.1°,脊宽W=5μm,波导间距G=20μm。

关键词：电光聚合物 Y分支波导 TM模有效折射率法有限差分束传播法

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基于渐变折射率光纤的激光器高效耦合方法

激光与光电子学进展 2017年第5期54卷 273-279页

作者：刘鹏王承林邢台学院物理与电子工程学院河北邢台054001

针对半导体激光二极管(LD)与单模尾纤(SMF)的耦合问题,提出了一种基于渐变折射率光纤(GIF)的耦合机制。GIF被设计为SMF的前端耦合部分,采用大芯径以匹配LD输出远场分布,椭圆形的纤芯形状可有效匹配LD椭圆输出光束,并实现有效聚焦与控制... 详细信息

针对半导体激光二极管(LD)与单模尾纤(SMF)的耦合问题,提出了一种基于渐变折射率光纤(GIF)的耦合机制。GIF被设计为SMF的前端耦合部分,采用大芯径以匹配LD输出远场分布,椭圆形的纤芯形状可有效匹配LD椭圆输出光束,并实现有效聚焦与控制。基于有限差分束传播法对耦合过程进行的理论分析表明,采用该方法功率耦合效率可达到88%,1dB插入损耗对应的GIF长度容差为75μm,长轴与短轴方向的横向偏移容差分别为28μm和10μm。该方案对高功率LD耦合单模光纤设计有一定的参考价值。

关键词：激光光学光纤耦合有限差分束传播法渐变折射率光纤半导体激光二极管

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聚合物电光调制器中M-Z波导TM模分析

应用光学 2006年第2期27卷 129-132页

作者：廖进昆刘永智廖翊韬甘小勇陆荣国电子科技大学光电信息学院

M-Z光波导是聚合物电光调制器的重要结构单元。利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播简化为二维传播。从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用C rank-N icho lson差分格式,得出有限差分... 详细信息

M-Z光波导是聚合物电光调制器的重要结构单元。利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播简化为二维传播。从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用C rank-N icho lson差分格式,得出有限差分束传播法的基本计算格式。通过对M-Z型波导结构中TM模的传播及损耗特性进行理论分析,系统地研究了脊宽、分支角等结构参数对损耗的影响。研究表明,有效折射率法与二维有限差分束传播法的结合可以较好地解决脊形M-Z波导的设计问题。该方法具有精度高、计算量小及效率高等优点,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。

关键词：电光聚合物 Mach—Zenhder波导 TM模有限差分束传播法有效折射率法

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有机聚合物光波导延迟线的基础研究

有机聚合物光波导延迟线的基础研究

作者：陆荣国电子科技大学

学位级别：硕士

有机聚合物是制作集成光波导器件很有前景的材料,其本身所具有的易集成、响应快速、成本低廉等一系列优点使得有机聚合物光波导成为近年来研究的热点。本论文所要研究的有机聚合物光波导延迟线对光控相控阵雷达而言极具吸引力。论文将... 详细信息

有机聚合物是制作集成光波导器件很有前景的材料,其本身所具有的易集成、响应快速、成本低廉等一系列优点使得有机聚合物光波导成为近年来研究的热点。本论文所要研究的有机聚合物光波导延迟线对光控相控阵雷达而言极具吸引力。论文将围绕有机聚合物光波导开展工作,主要在聚合物材料的性能、聚合物光波导的数值模拟、聚合物光波导电极的优化设计、器件的制备等方面进行了较为深入的研究。本文首先介绍了有机聚合物光电子器件的发展,总结了有机聚合物光波导延迟线的研究现状,接着阐述了聚合物材料的性能并对延迟线的结构进行了设计。用有效的、精确的工具去模拟、设计和优化光波导器件是非常有必要的。在众多的波导模拟工具中变分有效折射率法和有限差分束传播法都是实用性非常强的。变分有效折射率法是变分法（VM）和有效折射率法（EIM）的结合,它能够很精确地模拟光场分布情况;有限差分束传播法则能够准确地模拟波导的性能。本文先利用变分有效折射率法推导出满足单模传输的脊形波导结构参数;接着介绍了有限差分束传播法及求解的透明边界条件,同时分析了将三维结构转化为二维结构的有效折射率法,最后对Y分支的特性进行了模拟。这些模拟结果为实际制作光波导器件提供了很好的基础。延迟线的电极结构设计是另一个关键技术,本论文利用美国特拉华大学提供的一个免费的保角变换（SC）工具包编写程序对电极结构进行了模拟分析。结果表明:电极的厚度和宽度、电极间距以及上包层的厚度对微波有效折射率、特征阻抗和导体损耗的影响是不同的,在实际设计时应当综合考虑。实验中,研究了有机聚合物光波导的制备工艺,重点分析了下电极的制备、下包层的旋涂和反应离子束刻蚀（RIE）过程,最后设计了测量聚合物波导损耗和电光系数的装置结构,为以后进一步研究有机聚合物光波导创造了条件。

关键词：聚合物光波导有限差分束传播法共面波导电极

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新型1×N多模干涉分束器的三维设计与模拟

光子学报 2007年第11期36卷 2037-2040页

作者：周骏赵峰高永锋郑慧茹贾振红宁波大学理学院浙江宁波315211 江苏大学机械学院光信息科学与技术系江苏镇江212013 新疆大学信息科学与工程学院新疆乌鲁木齐830046

相比于传统的1×N对称型多模干涉(Mult-Mode Interference ,MMI)分束器设计,提出了一种新型埋入式弱限制光波导分束器件.它的干涉区及输入输出波导采用倒锥形式,器件尺寸减小,且不均匀性与附加损耗也减小.以1×4的对称型MMI分束器为例,... 详细信息

相比于传统的1×N对称型多模干涉(Mult-Mode Interference ,MMI)分束器设计,提出了一种新型埋入式弱限制光波导分束器件.它的干涉区及输入输出波导采用倒锥形式,器件尺寸减小,且不均匀性与附加损耗也减小.以1×4的对称型MMI分束器为例,当只对干涉区采用倒锥形结构后,在TE偏振中心波长为1 .55μm时,器件长度减小了500μm,均匀性增加了0.131 dB,而附加损耗仅增加了0 .02 dB,波长响应较传统设计增加了40 nm.在此基础上,又在输入输出臂上也各增加倒锥形结构后,相比于传统设计附加损耗减小了0 .02 dB,均匀性增加了0 .139 dB,器件长度减小了500μm.改进后的器件具有优越的容差性.器件采用掺氟型聚合物材料进行优化设计,通过在合理范围内偏离输出波导位置,使输出光强达到最大值.

关键词： MMI分束器有限差分束传播法波导损耗

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平面光波器件芯片测试技术研究

平面光波器件芯片测试技术研究

作者：刘旭东南大学

学位级别：硕士

在平面光波器件(PLC)的研制过程中,芯片测试与设计和制作处于同等重要的地位。单模光纤与PLC芯片的耦合技术和测试系统建立、调试是测试技术研究的主要问题。本文在深入研究、分析几种耦合方案的基础上,提出使用锥形透镜光纤(TLF)可以... 详细信息

在平面光波器件(PLC)的研制过程中,芯片测试与设计和制作处于同等重要的地位。单模光纤与PLC芯片的耦合技术和测试系统建立、调试是测试技术研究的主要问题。本文在深入研究、分析几种耦合方案的基础上,提出使用锥形透镜光纤(TLF)可以实现与带有模斑转换器的波导芯片的高效耦合。利用射线理论和经验公式给出了TLF基模光斑和发散角;并用BPM法仿真了同样条件下的光场传输,模拟得出TLF出射基模光斑的大小;最终对TLF样品作物理实验得到实测数据,计算出这两个参数;理论、数值分析和实验测试结果有着良好的一致。分析了TLF与PLC不同间距的耦合过程,确定了最佳纵向耦合间距。介绍了基于双通衍射光栅的光谱分析仪和基于扫描零差干涉法的光子全参数分析仪的测试原理,从光纤熔接和器件连接引入的不确定性、光电探测单元的不确定性、被测器件的偏振相关性、光的干涉、光源波长的不确定性等方面对测试系统进行误差分析。使用基于FD-BPM的光学计算软件仿真设计了Y型分路器(单个Y结和Y结阵列)。给出了Y结的绝热条件。实测谐振腔型滤波器和Y型分路器,并分析了测试与数值仿真结果之间存在误差的原因:测试系统中光纤与器件的耦合误差、器件加工工艺条件限制、物理参数的经验取值和二维数值仿真的近似性。最后提出了包括理论工作和数值分析技术、设计工作、测试工作在内的下一步工作设想。

关键词：平面光波器件性能测试耦合封装锥形透镜光纤有限差分束传播法 Y型分路器