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光学学报 2023年第11期43卷 96-108页

作者：郑栋飞孔德军林健洪昶辉汪鹏君符强李军陈伟伟宁波大学信息科学与工程学院浙江宁波315211 温州大学电气与电子工程学院浙江温州325035

提出一种相变材料辅助的非易失性硅基偏振不敏感1×2模式光开关,该器件包括偏振分束单元、偏振合束单元、定向耦合结构单元、偏振不敏感交叉波导以及模式转换单元。通过调谐相变材料的晶态与非晶态,可实现偏振不敏感的多模光开关功能。... 详细信息

提出一种相变材料辅助的非易失性硅基偏振不敏感1×2模式光开关,该器件包括偏振分束单元、偏振合束单元、定向耦合结构单元、偏振不敏感交叉波导以及模式转换单元。通过调谐相变材料的晶态与非晶态,可实现偏振不敏感的多模光开关功能。利用粒子群智能算法和时域有限差分法对所提出的器件进行优化并分析其性能。仿真结果表明,在1535~1569 nm波长范围内:输入TE_(0)模式时,所设计器件的插入损耗小于1.37 dB,串扰小于-13.12 dB;输入TM_(0)模式时,所设计器件的插入损耗小于1.61 dB,串扰小于-17.39 dB。

关键词：集成光学硅基光子学模式光开关偏振不敏感非易失性

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基于PLC平台的模分复用系统关键器件研究

基于PLC平台的模分复用系统关键器件研究

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作者：王曼卓吉林大学

学位级别：硕士

随着人工智能、大数据和光通信系统的发展,光纤传输容量成为制约数据带宽进一步增大的关键问题。受光学非线性效应的影响,单模光纤传输容量已接近理论极限（100 Tbit/s）,无法满足未来的应用需求,因此亟需扩大信道容量。多维复用技术是... 详细信息

随着人工智能、大数据和光通信系统的发展,光纤传输容量成为制约数据带宽进一步增大的关键问题。受光学非线性效应的影响,单模光纤传输容量已接近理论极限（100 Tbit/s）,无法满足未来的应用需求,因此亟需扩大信道容量。多维复用技术是进一步增加单模光纤传输效率的有效手段。在光波各物理维度复用技术中,模式复用是增加信道数和带宽的重要技术。本文详细介绍了模分复用技术背景,光子芯片集成技术,相关材料平台和关键器件等。论文重点研究了模分复用系统中的模式复用器/解复用器、模式开关及波导模斑转换器。针对这些器件进行了设计、实验制备和测试分析等工作,具体内容如下:1.介绍了本文的研究背景与意义,国内外研究现状,以及光波导理论知识。包括光纤通信的演进历程和当前水平,提升光纤通信系统传输能力的复用技术;阐述了模分复用（MDM）技术的重要性和研究价值,描述了模分复用系统的构成及其中的一些核心组件;介绍了光子集成芯片应用和研究现状,包括芯片耦合技术中具有重要作用的模斑转换器;介绍了用于实现模分复用系统的不同技术路线及国内外最新研究进展。2.设计和制备了一种基于级联定向耦合器（DC）的二氧化硅波导四模式复用器。模式复用器/解复用器（MUX/de MUX）是模分复用技术的关键组件,用于组合与分离不同空间模式。本文提出了一种基于级联DC的二氧化硅波导四模式复用器,由单模波导输入的E00模式可由DC耦合器转换E10模式、E20模式和E30模式,并由多模波导输出,而输入的E00模式也可不经模式转换,直接输出。采用光束传播方法（BPM）对波导几何尺寸进行优化。测量结果表明,在1550 nm处,四种模式(E00、E10、E20、E30)的插入损耗分别为2.19、4.50、5.53和6.47 d B。在1500 nm至1620 nm波长范围内,所有波长下的插入损耗均小于12.2 d B。3.设计和制备了一种低功耗、宽带1×8 SiO2波导热光开关。光开关可用于光复用技术中的光信号交换等功能,是可重构光网络的重要组件。本文提出了一种低功耗、宽带1×8 SiO2波导热光开关,该结构可拓展、功耗低、工作波长范围大,设计中采用光束传播方法进行波导参数优化。测试结果表明,在1550nm处,不同导通路径的光纤-光纤插入损耗（IL）为3.4-3.6 d B,消光比（ER）≥15.63 d B,串扰（CT）≤-15.65 d B,通道切换的平均驱动功耗为315.8 m W。在1500-1620 nm波长范围内,所有路由状态的ER≥15.06 d B,IL≤5.8 d B,偏振相关损耗（PDL）≤1.18 d B。动态响应测试结果表明,上升时间和下降时间分别为0.9418 ms和1.042 ms。4.设计和制备了一种二氧化硅波导模式选择开关。模式开关作为片上模分复用系统的关键器件,起着模式转换和路由的作用。本文提出的模式选择开关可实现两种模式之间的转换和路由(基模E00→基模E00、一阶模E10→基模E00)。设计中,采用光束传播方法进行波导参数优化,通过在二氧化硅波导两侧引入空气槽,降低功耗,抑制热串扰。所制备开关的测量结果表明,在两个输出端口之间切换E10模式时,功耗分别为170m W和395.3 m W。在1523-1556 nm波长范围内,三个输出端口的插入损耗、消光比和串扰分别≤10 d B,≥15 d B和≤-15 d B。测得的上升时间和下降时间分别为0.9418ms和1.042 ms。5.提出了基于三维结构、梯度折射率和光栅型三叉戟结构SiO2波导模斑转换器。模斑转换器是光纤与光子芯片上光波导的连接耦合器件,用于光芯片集成,匹配光纤的模场和波导的模场。本文采用光束传播法（BPM）和时域有限差分法（FDTD）对三种模斑转换器进行性能优化,耦合效率高、工艺容差和带宽大。相关设计可用于二氧化硅光波导与单模光纤的边缘耦合,在光通信、高性能计算以及光学传感等领域有着广泛的应用前景和发展潜力。

关键词：光波导模分复用光子集成模式复用器热光开关模式光开关模斑转换器

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