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基于二维光子晶体的双谐振腔多通道波分复用器设计研究

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基于二维光子晶体的双谐振腔多通道波分复用器设计研究

作者：苏慕阳吉首大学

学位级别：硕士

随着大数据、智能化的时代到来,波分复用技术已被广泛应用于各类传输通信系统中。波分复用器作为波分复用技术中的关键器件,具有增加频谱利用率、减少各信道插入损耗、降低各信道间串扰的作用。光子晶体以其周期性介电结构,具有与半导... 详细信息

随着大数据、智能化的时代到来,波分复用技术已被广泛应用于各类传输通信系统中。波分复用器作为波分复用技术中的关键器件,具有增加频谱利用率、减少各信道插入损耗、降低各信道间串扰的作用。光子晶体以其周期性介电结构,具有与半导体类似的带隙特性,可用于设计出比传统半导体器件性能更加优异的波分复用器件。本文基于二维正方晶格光子晶体,通过理论计算和模拟仿真对应的方法,设计出一种低成本、低功耗、轻重量、高透射率、高集成度的多通道波分复用器。首先,介绍了波分复用技术的研究现状和光子晶体的制备与特性,概括了基于光子晶体的波分复用器研究进展。详细阐述了光子晶体理论计算方法,推导出基于二维光子晶体的平面波展开法(PWE),及时域有限差分法(FDTD)在二维结构中TE波/TM波的差分方程、步长时间满足条件,引入计算波导与微腔耦合常数的耦合模理论,并考虑光在介质材料中传输中的色散特性。其次,运用Rsoft仿真软件对设计的二维光子晶体结构进行模拟,对比分析了不同晶格结构光子晶体的带隙特点,二次模拟确定点缺陷微腔中心频率,讨论二维正方晶格光子晶体介质柱半径与禁带宽度的关系、点缺陷微腔中心介质柱半径、折射率与微腔谐振频率的关系;模拟出线缺陷直波导的透射与色散特性、线缺陷“十字”环形波导的透射特性。然后,根据耦合模理论,采取双谐振腔耦合的方式,构建一个双微腔与波导耦合的结构,一个微腔作为耦合腔,改变特定波长的传输方式,一个微腔作为反射腔,减少特定波长的散射,增大耦合腔波导中的透射率,使得原本直波导中的透射率减小到2%,耦合腔对应输出的波导中透射率增大到98%,印证该结构的可行性。最后,采用对称的排列方式,级联双谐振腔与波导耦合的结构,实现了1451nm、1487nm、1557nm、1658nm、1440nm和1604 nm六波长的波分复用。仿真结果表明,该波分复用器具有高达218 nm的光谱覆盖范围,各通道的传输效率均高于91%,插入损耗均小于0.43 d B,通道间串扰均小于-9.2 d B,且大小也只有13.56μm×19.21μm。

关键词：二维光子晶体波分复用器平面波展开法二维时域有限差分法双谐振腔

基于特征向量构建的相干正交频分复用无源光网络系统

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激光杂志 2023年第3期44卷 195-199页

作者：任伟和昝立荣李旭河北工程技术学院石家庄050091

设计基于特征向量构建的相干正交频分复用无源光网络系统,避免无源光网络受到码间串扰的影响。设置光梳状谱发生器作为系统光源,生成光波信号,利用波分复用器分离生成的光波信号,完成分离后信号传送至IQ调制器,IQ调制器利用正交频分复... 详细信息

设计基于特征向量构建的相干正交频分复用无源光网络系统,避免无源光网络受到码间串扰的影响。设置光梳状谱发生器作为系统光源,生成光波信号,利用波分复用器分离生成的光波信号,完成分离后信号传送至IQ调制器,IQ调制器利用正交频分复用信号调制与解调过程调制分离信号,通过波分复用器集合完成调制的两路光波,集合后光波利用传输光纤传送至光节点;光节点中的相干接收器接收光波信号后,利用光电二极管传送至SVM均衡器,SVM均衡器利用特征向量构建方案均衡光波信号,实现信号的高效传输。系统测试结果表明,驱动功率为11 dB、本振光功率为6 dBm时,系统具有最佳的通信性能,所设计系统可有效改善码间串扰情况,均衡通信信号。

关键词：特征向量构建相干正交频分复用无源光网络 IQ调制器波分复用器

光子晶体结构的连续域束缚态及拓扑边界调控研究

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光子晶体结构的连续域束缚态及拓扑边界调控研究

作者：阮钰航江南大学

学位级别：硕士

亚波长结构的光子晶体涉及光学领域常用的能量禁带,通过禁带的调控,很容易发挥出光子晶体强大的光学性质,如特定频率光传输,光子能量局域化,高灵敏度光传感等。光栅作为一种特殊的光子晶体,其凭借着单元的周期性和结构的优良性,为绝大... 详细信息

亚波长结构的光子晶体涉及光学领域常用的能量禁带,通过禁带的调控,很容易发挥出光子晶体强大的光学性质,如特定频率光传输,光子能量局域化,高灵敏度光传感等。光栅作为一种特殊的光子晶体,其凭借着单元的周期性和结构的优良性,为绝大多数科研学者提供了研究平台。由于光栅的良好对称性,而引发一种新的概念,即连续域中的束缚态(BIC)。作为一种近年来由量子物理引进的概念,可以通过人为的结构调整,实现优良的光局域束缚和强光限制以及特定的光频率选择。但是由于传统的纯单光栅结构缺少更高维度的研究性与需求性,并且光栅结构存在一定的单调性,面内对称性有着一定的周期性对称限制,使得光栅在BIC领域的进一步发展受到阻碍。本论文的主要工作是将简单的光栅与多层膜结合以及对光栅的周期矩形结构进行面内破坏,实现面内双梯形方向的优化,实现了光栅结构的进一步拓展,为探索光学BIC态的发展提供了帮助与借鉴意义。此外,设计光子晶体禁带的光束选择,本文还巧妙设计了一种旋转圆柱结构。利用光子晶体特有的带隙实现梯度拓扑边缘态光传输,巧妙组合实现了多通道波分复用器的应用。目前所做工作如下:1.提出了由光栅和多层膜结构组成的复杂结构,分析了结构的能带特性,以获得BIC在能带中的位置。由于多层膜的影响,在光栅多层膜结构中可以获得比在简单光栅中更高的Q因子。利用传输矩阵理论分析了波在复杂结构中的传播过程和Q值的变化。此外,由于两个通道之间的干涉,其中一个通道是由法布里-珀罗共振引起的宽带通道,另一个通道是由导模共振引起的窄带通道。反射谱呈现出一系列不对称线形,提出并设计不对称参数δ来表征结构的特点,并以此来发现BIC产生的效应。当δ值逐渐减小到零时,通过非对称法诺线型可以看到准BIC转变成BIC。因此,由于高Q因子和准BIC的影响,实现了灵敏度高的Goos–H?nchen位移(GH shift)。2.首先考虑对称矩形光栅结构,通过切掉矩形光栅的一角,就可以在光谱中观察到准BIC的法诺线,以该方法实现了光栅结构的面内对称破坏。之后,改变周期内另一个矩形光栅的倾斜程度,可以进一步减小法诺线宽。在动量空间中,结构的改变意味着拓扑电荷从q=1分裂成半电荷q=1/2。之后分析了光栅结构的导模共振(GMR)激发,并讨论了波导层中的色散与能带中BIC位置的关系,从理论方面印证了所得结构激发的BIC的正确性。此外,随着不对称参数M和M值的改变,光谱呈现出的不对称的线形并渐渐优化到最后消失,实现了BIC变成了准BIC的过程。由于超高的准BIC的Q因子,实现大的GH shift,并以此实现了灵敏度更高的传感器。3.考虑了对称性高的特殊光子晶体光栅以及其BIC的实现。然后从四圆柱光子晶体板出发,在光子晶体单元的基础上,提出了具有不同旋转角度的二维光子晶体(PCs)结合的多通道复用分束器。利用旋转前后2D Zak相位的不同,实现了拓扑边缘态的光传输。利用提出的旋转参数δ,将不同通道进行梯度排列。不同的通道之间可以相互组合,实现了更高自由度的光子晶体板。该集成的光子晶体板相较于以往设计的边缘态光传输板拥有更高的选择性和更为巧妙端口传输。理论上可以实现任意频率的光选择性,从而诞生丰富的延伸拓展。最终进行了结构材料设计和实验操作,其中实验结果与理论仿真结果吻合良好。本工作已实现了9.34,9.67,10.12,10.94GHz这四个通道的光传输,并且其中传播效率较高。

关键词：光子晶体多层膜结构光栅拓扑边界态波分复用器

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高信噪比随机光电振荡器

光学学报 2023年第20期43卷 208-215页

作者：李阳余游徐恩明张祖兴南京邮电大学先进光子技术实验室江苏南京210023

提出和研究了一种高信噪比(SNR)随机光电振荡器(ROEO)。该ROEO由随机光纤激光器与光电振荡器两部分组成,得益于随机光纤激光器中瑞利散射(RS)提供的随机分布反馈,实现了宽带随机微波信号的产生。通过在随机光纤激光器中加入另一个波分... 详细信息

提出和研究了一种高信噪比(SNR)随机光电振荡器(ROEO)。该ROEO由随机光纤激光器与光电振荡器两部分组成,得益于随机光纤激光器中瑞利散射(RS)提供的随机分布反馈,实现了宽带随机微波信号的产生。通过在随机光纤激光器中加入另一个波分复用器(WDM),去除残余的拉曼泵浦光,提高了随机微波信号的信噪比。控制信号光的偏振态,抑制了随机腔中的受激布里渊散射(SBS)效应。实验中,获得了带宽为DC~30 GHz(DC代表直流0 Hz,表达的含义是从0 Hz到30 GHz)的随机微波信号。在DC~10 GHz范围内的信噪比约为40 dB,并且腔内的受激布里渊散射与随机微波信号的功率差达到约19.64 dB。高信噪比宽带随机微波信号在随机比特生成、雷达、安全通信等领域有重要的应用前景。

关键词：微波光子学随机光电振荡器瑞利散射波分复用器高信噪比

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硅基偏振兼容波分复用器件研究

硅基偏振兼容波分复用器件研究

作者：李晨光浙江大学

学位级别：硕士

在数据流量需求的飞速增长的背景下,光互连凭借其大带宽、高速率的显著优势成为最有希望取代金属介质互连的解决方案之一。硅基光子依托微电子成熟的CMOS工艺,被认为是实现光互连的首选平台。波分复用是光互连中实现信息扩容的主要手段... 详细信息

在数据流量需求的飞速增长的背景下,光互连凭借其大带宽、高速率的显著优势成为最有希望取代金属介质互连的解决方案之一。硅基光子依托微电子成熟的CMOS工艺,被认为是实现光互连的首选平台。波分复用是光互连中实现信息扩容的主要手段,通过单根光纤携带多个波长信号,充分利用光纤巨大的数据传输潜力,在数据中心、城域网、局域网中具有广泛的应用。然而,受到硅基光子平台双折射效应的影响,波分复用器件仅能工作于单一偏振态下,导致严重的偏振相关损耗,限制了硅基单片集成的波分复用系统的实现。因此,本文以偏振兼容的低损耗波分复用器件设计为目标,基于多种器件设计实现了多种应用场景下的偏振兼容的波分复用器件。本文主要取得以下成果。1、利用硅光平台的双折射效应,首次提出一种偏振、波长同步复用/解复用方法,能够将任意偏振的多波长复用光同步解复用为单偏振、单波长的光信号。实验验证了插入损耗低至0.5 d B,串扰优于-30 d B的8通道粗波分复用(CWDM)偏振波长多维解复用刻蚀衍射光栅(EDG),以及多数通道损耗分别低于2 dB和3 dB,串扰优于-13 d B和-30 d B的两种16通道细波分复用(LWDM)偏振波长多维解复用EDG,拓展了EDG的新的复用维度,综合性能达到世界先进水平。此外还设计了基于氮化硅材料的S型阵列波导光栅(AWG),并在此结构上仿真实现了16通道的LWDM偏振波长多维解复用AWG。2、首次基于偏振分束器(PBS)和EDG的片上集成,提出了一种偏振不敏感的波分解复用器件。通过多次结构优化和工艺迭代,实现了插入损耗1.5-2.8d B,串扰优于-25 d B,偏振相关损耗0.1-0.7 d B的4通道CWDM偏振不敏感波分解复用器件,其中偏振补偿EDG损耗为0.8-2.3 dB,基于非对称定向耦合型的PBS损耗约0.5 dB。综合性能达到世界先进水平。3、针对波分(解)复用器件实际应用中存在的波长偏移问题,提出一种波长调整工艺。通过CMOS兼容的干法刻蚀和化学气相沉积工艺,对EDG自由传输区域的包层进行折射率设计,调整自由传输区基模的有效折射率,实现输出波长的红移和蓝移。结果显示本文提出的方法能够有效调整EDG各个通道的输出波长,改善器件失效问题。

关键词：光互连无源光器件波分复用器偏振兼容刻蚀衍射光栅

基于光子晶体的电光调制和粗波分复用集成器件研究

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基于光子晶体的电光调制和粗波分复用集成器件研究

作者：王水柔南京邮电大学

学位级别：硕士

随着信息产业迅猛发展,人们对通信系统性能的需求不断提高,对具有更大传输容量和更高传输速度的通信系统的研究迫在眉睫。目前对于具有单一功能器件的研究已趋近成熟,但如何既保持单个器件的良好性能,又巧妙地将多个器件级联在同一个芯... 详细信息

随着信息产业迅猛发展,人们对通信系统性能的需求不断提高,对具有更大传输容量和更高传输速度的通信系统的研究迫在眉睫。目前对于具有单一功能器件的研究已趋近成熟,但如何既保持单个器件的良好性能,又巧妙地将多个器件级联在同一个芯片上仍需要更加深入的研究。人们对通信系统有着“小体积”、“大容量”、“大带宽”和“集成化”的需求,而硅基光电子集成技术成为解决目前通信系统所面临瓶颈的一个重要方法。硅基光电子集成具有低功耗、低成本、高集成化、与CMOS工艺高兼容等优点。电光调制器及波分复用器在通信系统中分别负责信息的加载与容量的扩充,因此对这两个模块进行一体集成的研究必不可少。本文设计出一种基于硅基光子晶体环形谐振腔电光调制和粗波分复用集成器件,该器件由电光调制和粗波分复用两个模块级联构成。电光调制模块基于环形谐振腔和侧耦合结构,通过等离子体色散效应,实现了器件的“通”“断”调制。粗波分复用模块基于环形谐振腔、侧耦合结构以及双反射壁结构,通过合理选择环形谐振腔的参数及腔到反射壁的距离,实现对特定工作波长的复用。集成器件通过将调制模块和粗波分复用模块级联,并对级联以后的器件结构参数进行调整,以获得集成器件的最优性能,实现双波长的调制及下载。此外,在集成器件的纳米线波导与光子晶体平板连接处级联锥形波导,用于减小纳米线波导与光子晶体线缺陷波导级联时产生的损耗,提高器件性能。通过对集成器件进行设计、优化和仿真分析,在工作波长1530nm和1550nm处,实现调制和波分复用功能。仿真结果表明,集成器件在1530nm和1550nm处的调制深度为均为0.99,插入损耗分别为0.48dB和0.59dB,信道串扰分别为-34.39dB和-56.44dB,消光比分别为23.73dB和22.78dB,调制速率约为18.18GHz,器件尺寸为 48.42μm × 10.22μm ×0.22μm。该集成器件的性能优良、结构紧凑,可用于CWDM高速大容量光通信系统和数据中心。

关键词：光子晶体等离子体色散效应电光调制器波分复用器硅基光电子集成

基于移动渐近线算法的微纳光学器件的智能设计

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基于移动渐近线算法的微纳光学器件的智能设计

作者：黄辉南昌大学

学位级别：硕士

微纳光子学器件是构建全光网络的重要元件,因其体积小、功耗低、集成度高被广泛应用于光通信、光计算、视觉光学、量子光学等方面。随着科技的进步和发展,传统设计方法所设计的光学器件由于功能单一,尺寸过大,性能较低已经很难符合现在... 详细信息

微纳光子学器件是构建全光网络的重要元件,因其体积小、功耗低、集成度高被广泛应用于光通信、光计算、视觉光学、量子光学等方面。随着科技的进步和发展,传统设计方法所设计的光学器件由于功能单一,尺寸过大,性能较低已经很难符合现在的集成需求。为了突破传统光学设计方法所遇到的困难,将结构优化算法与数值计算方法相结合的智能方法被广泛应用于光学设计中。本论文采用移动渐近线算法与有限元法相结合的智能设计方法,设计出了大角度光功率分束器、光偏振分束器、全光逻辑器件、光波分复用器等微纳光学器件。论文的主要工作如下:(1)利用该智能设计方法设计了尺寸仅为1μm×2μm硅基大角度光功率分束器。该功率分束器能够实现950nm到1600nm的TE(横电)波按照50:50的分束比分离180度。其中,在波长1310nm和1550nm处,器件的总效率分别为94.6%和93.1%,整个波长范围内平均传输效率也超过了91%。此外,设计出了氮化镓基底和二氧化硅基底的功率分束器,它们可实现不同波段的入射光分离。(2)利用该智能设计方法设计了一组尺寸为2μm×2μm的偏振分束器。同侧输出的硅基偏振分束器具有800nm到1600nm的大带宽,TE模式的最大传输效率为93%,TM模式的最大传输效率为73%。同时,在此工作范围内,TE的平均消光比为18.9B,TM的平均消光比为19.6dB。器件的消光比相对较大,同时具有较小的插入损耗。为了证明我们设计方法具有良好的适用性,设计了其他不同材料基底、不同输出方向的偏振分束器。(3)利用智能设计方法结合偏振分束器设计了多个纳米级全光逻辑器件,实现了“与”、“或”、“与或”和“或非”门等逻辑运算。(4)利用智能设计方法设计了一个尺寸2μm×2.4μm三通道的波分复用器,可实现波长为800nm、1000nm、1200nm的光信号在不同的端口输出,其传输效率分别为84%、79%、72%。我们还设计了波长间隔较小的800nm、900nm二通道波分复用器,其传输效率分别为65%、63%。

关键词：移动渐近线算法大角度光功率分束器偏振分束器波分复用器全光逻辑器件

波长间隔为3.2nm的电光调制和波分复用集成器件研究

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光子学报 2022年第5期51卷 189-201页

作者：王水柔陈鹤鸣(指导) 刘雪潘万乐南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院南京210023 南京邮电大学贝尔英才学院南京210023

提出了一种基于光子晶体电光调制和波分复用的集成器件。该集成器件的电光调制器模块和波分复用器模块均采用一维光子晶体纳米梁腔结构。利用三维时域有限差分法进行仿真。结果表明,该器件可实现工作波长为1550.4 nm和1553.6 nm的电光... 详细信息

提出了一种基于光子晶体电光调制和波分复用的集成器件。该集成器件的电光调制器模块和波分复用器模块均采用一维光子晶体纳米梁腔结构。利用三维时域有限差分法进行仿真。结果表明,该器件可实现工作波长为1550.4 nm和1553.6 nm的电光调制和波分复用功能。该器件在工作波长1550.4 nm和1553.6 nm下的插入损耗分别为0.89 dB和0.40 dB,消光比分别为17.13 dB和22.52 dB,调制深度分别为0.98和0.99,信道串扰分别为-24.20 dB和-23.37 dB,器件尺寸仅为71.34μm×7.8μm×0.22μm。该集成器件结构紧凑,易于集成,可望应用于光互连网络和数据中心。

关键词：光子晶体纳米梁腔纳米线波导电光调制器波分复用器

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2D-3D异质结结构中集成器件的实验研究

2D-3D异质结结构中集成器件的实验研究

作者：张明明北京化工大学

学位级别：硕士

2D-3D异质结结构是一种具有完全带隙的三维光子晶体结构,是由两个woodpile结构和一个二维光子晶体组成,位于二维光子晶体上下两侧的woodpile结构可以抑制沿z方向的传输损耗,提高了二维结构中各种器件的传输效率。本论文对2D-3D异质结结... 详细信息

2D-3D异质结结构是一种具有完全带隙的三维光子晶体结构,是由两个woodpile结构和一个二维光子晶体组成,位于二维光子晶体上下两侧的woodpile结构可以抑制沿z方向的传输损耗,提高了二维结构中各种器件的传输效率。本论文对2D-3D异质结结构中的各种器件进行了详细的设计、模拟和实验研究,同时还开展了woodpile结构中任意弯曲波导及其基于此的波分复用器的理论模拟和实验研究。具体研究内容如下:首先,对2D-3D异质结结构中的波导进行了详细的设计、模拟和实验测量。根据2D-3D异质结结构的叠加特性,充分考虑了位于波导两侧的woodpile结构的影响,采用平移法和调整堆叠顺序法对波导进行了优化设计。研究结果表明:通过平移法调整woodpile结构时,随着移动值的增加,导带随之得到改善,并且在移动值为0.5a时波导的导带达到最宽,当介电常数为11.9时,导带宽度与中心频率之比可达15.98%;当调整堆叠顺序法优化波导时,可以发现导带发生了显著的变化,最重要的是,可以观察到超宽导带,当介电常数为11.9时,导带宽度与中心频率之比可达23.69%。然后,基于光子晶体波导耦合原理和超宽导带结构,设计了基于2D-3D异质结结构的六通道密集型波分复用器,并详细地从理论和实验上研究了该波分复用器的传输特性。研究结果表明:该器件实现了频率选择特性,且每个通道都实现了单频输出,实验测量结果也证明了其频率选择特性。在此基础上,我们又设计了更为密集的八通道波分复用器,实现了频率选择特性及其密度集成化。最后,在woodpile结构中设计了任意弯曲波导,并在该任意波导基础上,设计了立体空间的波分复用器。研究结果表明:利用woodpile结构的空间堆叠特性,可以设计更加丰富的弯曲波导,实现沿任意方向的传输特性;并可以获得具有良好传输特性的超长波导,其长度可达136a;基于任意波导的空间波分复用器,同样可以实现频率选择特性和密度集成化。

关键词： 2D-3D异质结结构时域有限差分法 woodpile结构波分复用器波导