（微电子学与固体电子学专业论文）硅光子线阵列波导光栅awg器件的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 集成光电子学是光学和薄膜电子学相互渗透和促进而产生的学科，其中的硅 基光电子技术更是得到了蓬勃发展，尤其是在密集波分复用( d w d m ) 系统中 得到了更多的关注 论文简要阐述了集成光电子学的发展，并着重描述了硅基光电子学的演变历 史。作为硅基光电子密集波分复用( d w d m ) 系统中重要的器件之一，阵列波 导光栅( a w g ：a r r a y e d w a v e g u i d eo r a t i n g ) 以其出色的性能被广泛应用。论文 简要介绍了a w g 的基本原理和功能、制作a w g 的材料及发展现状和前景。对 a w g 的设计步骤，性能优化方案也给出了简要的阐述。 由于弯曲波导是a w g 器件中不可缺少的结构单元，论文运用柱坐标下有限 差分法来计算弯曲波导的场分布和有效传播常数，找出了波导弯曲半径与波导弯 曲损耗之问的关系 论文结合了s o l 材料和a w g 器件的双重特点，分别用公式法和o p t i w a v e 软件o p f i b p m 模块对1 4 通道a w g 进行了详细的分析，给出了器件各部分的 场分布图。论文讨论了影响a w g 器件频谱性能的因素，包括结构参数和工艺误 。差等。以1 3 2 通道a w g 为例，给出结构参数( 四种) 对最终器件性能( 四种) 影响的总结同时得到a w g 是相位敏感型器件。 论文最后提出了三点s t i g r m t i cp o i n t s 法，用来设计超窄通道间隔( 0 1 n m ) 、 超大通道数目( 2 5 6 通道) 的基于s 0 1 材料的平场接收型a w g 。给出了器件所 有的结构参数和最终频谱响应图，并与标准的罗兰圆结构进行了对比。仿真结果 显示，器件具有极低的插入损耗，通道之间的串扰也达到了1 4 d b 以上，同时通 道一致性非常好。这都为以后设计高性能a w g 器件提供了一个很好的思路。 关键词：s 0 1 材料、阵列波导光栅( a w g ) 、o p t i w a v e 软件、s t i g m a t i cp o i n t s 法。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e do p t i c si sam u t u a l - i n f l u e n t i a lc o m b i n a t i o no fo p t i c sa n df i l me l e c t r o n i c s t h e r ei saf a s tp m g e s si ns i l i c o n - b a s e do p t o e l e c t r o n i c s ，w h i c hh a sb e e np a i dm o r e a t t e n t i o ni nd w d ms y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e do p t i c s ，a n d i n p a r t e u h eg i v e s t h e p i c t u r e s o v e rt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to fs i l i c o n - b a s e d o p t o e l e c t r o n i c s a so r l eo f t h ek e ye l e m e n t si nd w d m s y s t e m , a r r a y e dw a v e g u i d e c r a t i n g ( a w a ) h a sb e e nw i d e l yu s e do w i n gt oi t sp e r f e c tp e r f o r m a n c e i nb r i e w e i n t r o d u c et h eb a s i cp r 沁i p l ea n df u n c t i o no fa w g ，a n dm e a n w h i l e ，i t sf a b r i c a t i o n m a t e r i a l sa n dp r o s p e c t s a n da l s o ，w ep r e s e n tt h ed e s i g np r o c e d u r e so fa w ga n d o p t i m i z a t i o ns c h e m ef o ra w g sf u n c t i o n s t h eb e n dw a v e g u i d ei so n eo ft h ei n d i s p e n s a b l es t r u c t u r a lu n i t s t h i sp a p e ra l s o p r e s e n t st h ef i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d 伊dm e t h o d ) a sat o o lo fc a l c u l a t i n gt h ef i e l d d i s t r i b u t i o na n de f f e c t i v ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t f u r t h e r m o m ，w ef i g u r eo u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb e n dr a d i u sa n dt h el o s s o fw a v e g u i d e a st h ec o m b i n a t i o no fs o im a t e r i a la n da w g sa d v a n t a g e s ，w e a n a l y z et h e1 4 - c h a n n e la w g i nd e t a i lb yt h em e t h o do ff o r m u l aa n do p t i b p m s o , w a r e ，a n dt h e 毹l dd i s t r i b u t i o no fe v e r yp a r to fa w g i m p o r t a n t l y , t h ea m h o r d i s c u s s e st h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so na w g ss p e c t r a lr e s p o n s e ，w h i c hi n c l u d es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n df a b r i c a t i o ne l t o r s 1 3 2c h a n n e la w g ，a s a 1 1e x a m p l e ，w ef i g u r eo u t h o wt h ef o t rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sh a v ea ni m p a c to nt h ep e r f o r m a n c e s i nc o n c l u s i o n , a w gi sak i n do f p h a s e - s e n s i t i v ed e v i c e a tt h ev e r yl a s t , w ep u tf o r w a r dt h r e es t i g m a t i cp o i n t s ，w h i c hi si m p l e m e n t e dt o d e s i g nn a r r o wc h a n n e l - s p a c i n g ( o in t o ) a n ds u p e rc h a n n e ln u m b e r s ( 2 5 6c h a n n e l s ) a w go ff l a tf i e l do ft h eo u t p u tp o r t s ，b a s e do ns o im a t e r i a l w ec a l c u l a t et h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f d i f f e r e n tp a r t sa n ds p e c t r a lr e s p o n s e ，a n da tt h es a m et i m e ，w e c o m p a r et h ef o r m e rt ot h es t a n d a r dr o w l a n dc i r c l e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c e o w n st h el o w e ri n s e r tl o s s ，c r o s s t a l kb e t w e e na d j a c e n tc h a n n e la p p r o a c h i n gt o1 4 d b i j j 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b o v ea n da ne x c e l l e n tu n i f o r m i t y a b o v ea l l ，t h i sm e t h o dc o u l db eu s e dt od e s i g n a w gof b e t t e rp e r f o r r m n c e k e y w o r d s ：s o im a t e r i a l , a w g , o p t i w a v es o t t w a r e ，s t i g m a t i cp o i n t s 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 2 0 0 4 年的9 月我来到了浙江大学。本科期间，我犹如一个机器一般重复着高 中的生活状态，虽然学习成绩很好，但是没有自己的思想。一直到了保送研究生， 我才意识到自己的问题所在，在完成科研任务的同时，开始猎取我感兴趣的领域。 感谢我的导师杨建义教授，最让我受益匪浅的是杨老师对科研的严谨态度； 感谢杨老师在关键时刻的严厉的教诲，让我这个钻牛角尖的人也渐渐开了一些窍； 感谢杨老师在关键时刻帮我克服了很多困难，让我在前进的道路上虽有荆棘但也 算顺利；感谢杨老师让我知道了一个男人在面对事业时应该怎么做，我虽因阅历 不够而体会不深，但我知道这个是我前进路上的一道重要关卡。 感谢王明华、江晓清教授。王老师让我体会到作为一个长者的风范，同时又 特别有亲切感，仿佛看到了我父亲的身影。感谢江老师在课程和平时科研过程中 给予的指点，扎实的物理基本功让我钦佩不已 感谢郝寅雷副教授平时在学习生活上给予我的开导；感谢周强副教授给予了 我丰富的知识教导；感谢张国荣老师让我管理实验室的安全工作； 感谢赵勇博士、邵海峰博士在科研和生活上给予我的帮助。感谢肖司淼、魏 玉欣、陈伟伟、郑伟伟、喻平、邱晨、祁彪、王皖君、杨冰、邱晖哗、胡挺、沈 奥、徐超等博士，感谢江舒杭、王欢、李国熠、姜国敏、郑斌、唐树明、董少杰、 肖熠、郭伟峰、张鹏、彭志新等硕士。 感谢向微，张立军，七年的友谊真好! 感谢研究生室友张立军、张斌、谷金 辉在我最失意彷徨的时候给予我的开导和帮助。 感谢新来的师弟师妹们，虽然我不全能叫出你们的名字，但你们让我看到了 集成光学实验室的希望。 感谢父母对我2 5 年的养育之恩；感谢女友对我的爱。 感谢这些年来对我提供过帮助的所有人，这里没有更多的地方写下你们的名 字，如果可能的话，我愿意将你们的名字写成一本书；更要感谢那些看不起我的 朋友们，现在来看我让你们失望了 最后感谢我自己。 2 0 1 1 年5 月 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 集成光电子学 集成光电子学是光学和薄膜电子学相互渗透和促进而产生的学科。它自1 9 6 9 年前后被正式提出后，得到了全世界范围地积极研究，已经在理论体系、实验方 法和技术手段等方面取得了丰硕的研究成果。 上世纪9 0 年代开始，市场上急需低成本、高可靠性、易维护的器件，集成 平面光波导技术正是满足上述要求的极具发展潜力的技术之一。尤其在通信领域， 该项技术更是具有革命性的推动力。同时，光通信对通信容量和通信速率的要求， 也推动了集成光波导器件向高性能高密度的方向发展。 总的来说，集成平面光波导器件具有以下优点： 1 体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成； 2 机械及环境稳定性可靠； 3 寿命长、适合大规模生产； 4 结构易于精确控制、设计灵活 1 2 硅基光电子学 摩尔定律指出：集成电路的集成度每1 8 个月提高一倍，现在这个速度又缩 短为1 2 个月。集成度的提高是以微细加工的尺寸缩小为前提的但是，尺寸的 缩小是有限度，为此，人们必须开辟一个新的路线来提高信息传输的速度和容量。 硅基除了在微电子学中取得了巨大的应用，在光电子学中也必将再次发挥巨 大能量。这是因为硅基异质结和纳米结构能够对材料性质进行改变，获得所期望 的能带结构、带隙和折射率。 硅基光电子的研究可以追溯到上世纪8 0 年代末9 0 年代初 - 3 1 。早期的工作主 要集中在无源器件【4 j 0 1 在上世纪9 0 年代末，由私人基金资助的硅基光电子项 目取得了长足进步。2 0 0 0 年以后，虽然私人基金的投入减少，人们却逐渐意识 到了硅基光电子学的前景。现在，硅基光子学的研究主要由政府和大型企业资助， 并在近几年取得了丰硕成果。 人们对于硅基光电子学的热衷源自其与成熟的硅i c 生产线良好的兼容性 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 硅片造价低廉，同时和其它半导体材料相比，硅材料具有极好的晶格质量和完美 的材料特性，这些性质对于光学器件来说又是非常重要和必要的。相比二氧化硅 材料，硅材料具有明显的k e r r 效应( 1 0 0 多倍) 和拉曼效应( 1 0 0 0 多倍) 除此之外，高质量的s o l 基片和理想的平面波导电路平台的兼容性也是人们 关注的焦点之一。由于硅的折射率( 3 4 4 7 ) 与衬底二氧化硅的折射率( 1 4 4 4 ) 的差非常大，所以即使完全半径很小也可以对光场进行很好的限制，这就大大减 小波导尺寸，从而缩减版级尺寸 表1 1 列出了近年来硅基光电子材料和器件的主要进展【2 羽。 表1 1 近年来硅光电子学的主要进展1 2 卅 成果时问 i b m 、n t t 研制光子带隙波导2 0 0 3 u c l a 实现硅基r a m a n 受激散射2 0 0 3 i b m 研制出3 0 g h z s i g e 探测器 2 0 0 4 i n t e l 研制出g h zm o s 调制器 2 0 0 4 i n t e l 研制出第一个c w 工作的r a l l l a n 激光器2 0 0 5 c o m e l l 、i b m 等研制出低损耗s i 纳米线 2 0 0 5 i m e l 研制出1 0 g b i t s 调制器2 0 0 5 i m e l 和u c l a 共同研制出混合型s i i n p 激光器2 0 0 6 i b m 研制出s o l 基g e 光电二极管， 8 5 0 下1 0 ( 3 b s ，无误码2 0 0 6 1 3 光波分复用解复用器件及硅基a w g 1 3 1 光波分复用解复用器件 在硅基光电子学中，d w d m ( 密集波分复用) 是一项关键技术，同时复用 解复用器( m l r x d e m u x ) 又是d w d m 系统中不可替代的关键器件。 复用器在w d m 系统中的功能是将不同波长的光合在一起，充分利用光纤的 宽带宽，在同一根光纤中传输；解复用器是将一根光纤中不同波长的光分开，以 便单独进行信号的处理。 技术上实现复用解复用功能的设计有很多，例如薄膜滤波技术、f b g 、m z 干涉仪、衍射光栅、闪耀光栅、阶梯光栅和阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g s ，a w g ) 等。其中，a w g 以其优异的性能，不仅在诸多器件结构中占 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 据了重要地位，更在多通道数、窄通道间隔的要求下尽显优势。各种类型波分复 用器件的性能对比如下表1 2 。 表1 2 各种类型波分复用器件的性能对比 比较内容 m d t f ff b g 体光栅k 瞄g e d g 通道间隔 1 0 0 g h z 时 1 0 0 g h z 时可以很小可以很小可以很小 加工困难 加工困难( 2 5 g h z )( 2 5 g h z )( 2 5 g h z ) 中心波长漂移好好较好好 。好 插入损耗低但不均匀低但不均匀低且很均匀较低也较均较低也较均 匀匀 通道间串扰3 3 d b 或更3 5 d b 或更好最好3 7 d b2 5 d b 到2 5 d b 到 好3 5 d b3 5 d b 偏振相关性 非常好非常好 好一般较大 ( 0 2 5 d b )( 0 2 0 5 d b ) 加工难度一般一般一般较高很高 封装方式和难分立器件，分立器件，手工封装，通单片封装，单片封装， 易困难 困难 道间隔小时简单简单 难度大 长期可靠性好好有问题非常好非常好 功耗无无无小较小 量产时成本高高高低 低 多层介质薄膜滤波器是发展较为成熟的滤波技术【1 1 - 1 3 】，在4 0 r a n 波长以下， 波长间隔大于5 0 g h z 系统中得到广泛应用。光纤b r a g g 光栅结构主要基于长周 期或短周期光线光栅以及熔融m z 干涉仪结构【1 4 - 1 5 】。体光栅由传统的光谱仪发 展而来，在多模波分复用领域具有不可替代的地位。它在通道间隔、串扰等方面 具有非常好的表现。但在通道间隔减小时，体积会迅速增大，增大了封装的难度。 a w g 和e d g 在通道数目较小、通道间隔较大时较m d t t f 或f b g 相比不 具有竞争优势。但是，在通道数目大、通道间隔窄时，两者都占有明显优势。 e d g 在工艺水平要求非常高，目前在性能和实用化方面尚不能与a w g 竞争。 而a w g 已经成功实现商业化。 淅江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2a w g 基本原理 阵列波导光栅( a w g ) 波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件， 在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及 波长监测；在性能上具有波长间隔小，信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰 低、信号畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点。 凹面光栅的成像原理是于1 8 8 2 年由罗兰提出的【1 6 1 ，如图1 1 所示。凹面光栅 所在的圆g 称作光栅圆，其半径为设q 是光栅面的中点，c 是它所在的光栅 圆的圆心，并以q c 的中点o 为圆心，以t ? 2 = o q - q c 为半径作一个圆k ，叫做 罗兰圆。可证明，从罗兰圆k 上任一点s 射出的光将近似被反射到圆上的另一 点p ，同时被衍射到圆上另一点p ，p ”，这些点分别是各阶衍射光线的焦 点从s 入射到光栅上的另一点r 的一条光线，可以证明，r 点的反射光线仍 通过p 。对于衍射光线同样可以证明以上结论这就是罗兰圆原理【1 7 1 。 歹 骧 、 图l l 凹面光栅聚焦示意图e i a w g 原理于1 9 8 8 年由s m i t m k 提出【l 引。a w g 器件将凹面光栅的反射式结 构转变成传输式结构，输入波导与输出波导分开，用波导对光进行限制和传输， 取代光在自由空间的传输，利用这种传输式结构可以在光传输途中引入较大的光 程差，使光栅工作于高阶衍射，提高了光栅的分辨率。 图1 2 给出了阵列波导光栅a w g 的结构示意图【1 9 ，它由输入输出信道波导、 两个平板波导和中间的阵列波导组成。阵列波导的两端以等间距d 排列在两个光 栅圆周上，正对光栅圆心输入输出波导排列在罗兰圆周上，端口朝向中心阵 列波导。a w g 同时具有复用和解复用功能，下面以解复用为例进行定性说明 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 典型阵列波导光栅结构示意图1 1 9 1 解复用器的工作原理：含有多个波长的复信号光经中心输入波导输出后，在 输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进阵列波 导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光以相同的相位到达阵列 波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差l ， 因而在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对 于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并 聚焦到不同的输出波导位置，经输出波导输出后完成了波长分配，即解复用。这 一过程的逆过程，即信号反向输入，则完成复用功能。 当复信号光从非中心波导输入时，平板波导内的衍射光以倾斜波前耦合进入 阵列波导，此时输出信号光的波长由输入输出波导的位置和波长间隔共同决定。 1 3 3 制作a w g 的主要材料 与硅材料在微电子领域具有统治地位不同，在集成光平面光波导领域内没有 一种材料可以占据主导地位。各种材料均具有独特的优势和加工工艺，当然也有 难以克服的缺点。因此，在近几十年发展中，形成多种材料齐头并进的发展态势。 目前，制作a w g 器件的主要集中在二氧化硅( s i 0 2 ) 、i h v 化合物半导体 ( 含族) 、绝缘层上的硅( s o i ) 、聚合物和铌酸锂等材料上。表1 3 总结了 制作a w g 材料的优点和缺点 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 创作a w g 材料的优点和缺点 材料优点缺点 s i 0 2在1 5 1 6 1 a m 波长范围内，具有窄信道 低折射率差接触；弯曲半径大、器 问隔、低串扰、低插入损耗；和光纤耦件大( m m 2 ) 量级，不利于单片集 合效率高成；只能做无源( p a s s i v e ) i i i v 化合物 高折射率差；一种结构h i g hm e s a要求干法刻蚀2 3 9 m ；长宽比 w a v e g u i d e 可使弯曲半径达到( a s p e c tr a t i o ) 要求大于2 0 ，否则 1 0 0 9 i n ；可以实现单片集成 会产生额外的传输损耗 聚合物 便宜；热光系数大，可以做宽带宽a w g稳定性差；损耗较大 器件，并且可以和聚合物光开关集成， 制作低功耗a d 复用器 铌酸锂 低传输损耗；具有声光电光热光等一产生温漂，抗辐射能力差；无法制 系列效应造有源器件 s o i良好光学g 学特性；成熟的制作工艺；与光纤光场的匹配效率不高 可制作有源无源器件 1 3 4a w g 基本功能 对称结构的a w g 器件具有四个基本功能，即解复用、复用、路由和周期性， ( 1 ) 解复用 图1 3 ( a ) 给出了解复用示意图，含有不同波长的复信号光从同一端口输入， 不同波长的信号光可以从不同的端1 2 输出。例如，从端i ：10 输入的不同波长的光 九1 、k 和九1 ，分别从端1 3 1 、0 和l 输出，从而完成了解复用功能。 ( 2 ) 复用 图1 3 ( b ) 给出了复用示意图，不同波长的信号光分别从不同的输入端1 2 输 入，可以从同一端口输出。例如，不同波长的信号光九- l 、x o 和九1 分别从不同的 端1 2 1 到l 输入，混合光会从同一端口0 输出，从而完成了复用功能。 ( 3 ) 路由 图1 3 ( c ) 给出了路由示意图，图中a 、b 、c 列的输出信号光分别对应于a 、 b 、c 行的输入信号光。路由有两个含义：( a ) 相同波长的信号光从不同端口输 入，将分别从不同端口输出；( b ) 不同波长的信号光从同一端口输入，将从不 同端口输出。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 周期性 对于f s 贮n 从的a w g 器件，波长为轧和九i + n ( 九i + n 咄l + f s r - 九l + n 九) 的信 号光将从同一端1 2 输出，这种性质称为周期性。如图1 3 ( d ) 。 h ，如，h 久：，k l h a b h ，kh ck h ，k ( a ) 解复用 父l k h ab c k 2 ，k l ，k k l kh k ，k ，勉 b k h k ，kk a b k ，kh cb ，kh 久l ，k ，h ( b ) 复用 abc h ，b ，h k l ，如k h ，k ，k l ( c ) 路由( d ) 周期性 图l 3 对称结构a w g 器件的基本功能示意 1 3 5 硅基a w g 器件的现状和发展趋势 近几年，硅基a w g 器件的现状和发展方向主要体现在以下两个方面。 ( 1 ) 结构小型化 2 0 0 4 年由t a t s u h i k o 提出了u - b e i l d 型a w g l 2 0 】，并成功地进行了实验测量； 2 0 0 6 年，由贾科淼等人提出了转弯微镜a w g ( t u r n i n gm i r r o ra w g ) 【2 l 】这样一 种新的结构。以上这三种结构都大大减小了a w g 的面积。 ( 2 ) 系统化 利用a w g 可以组成以下四类系统。 ( i ) 用a w g 直接作为d w d m 系统中的复用解复用器件； ( ) 用a w g 和光开关构成可重构光上下路复用器r o a d m ( r e c o n f i g u r a b l e o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x i n g ) ； ( i u ) 用a w g 和可调光衰减器v o a 构成v m u x ( v a r i a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o r + m u l t i p l e x e r ) ： ( i v ) 用a w g 和有源器件构成子系统。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的研究内容及研究意义 本论文的研究意义： 人们日益要求器件小型化和高性能化，同时为了和传统的c m o s 工艺线相兼容， 人们更加看重硅基光电子的发展，尤其是基于s o i 材料的。本文就是将小型化和硅 基光电子结合，给出设计小尺寸硅基a w g 的完整步骤，并对影响a w g 性能的因 素进行了详细分析。此外，论文还应用s t i g m a t i cp o i n t s 法予以消除像差带来的影响。 这些都为设计多通道数，窄通道间隔的a w g 器件提供了很好的思路。 本论文各章节安排如下： 第一章：简单介绍集成光电子学和硅基光电子学的发展；简要介绍了a w g 的 基本原理、基本功能、制作a w g 的材料及发展现状和前景。 第二章：推导出柱坐标下有限差分法的公式，并利用该方法计算弯曲波导的场 分布以及有效传播常数，找出了波导弯曲半径与波导弯曲损耗之间的关系；第二章 的后半部分在给出a w g 的设计步骤基础上，结合了s o i 材料和a w g 器件的双重 特点，分别用公式法和软件仿真法对1 4 通道a w g 进行了详细的分析，给出了 各部分的场分布图。 第三章：主要讨论了影响a w g 器件频谱性能的因素，包括结构参数和工艺误 差等以1 3 2 通道a w g 为例，给出各种结构参数( 四种) 对最终器件性能( 四 种) 影响的总结。同时分析了两种工艺误差对器件性能的影响。最后，对a w g 性 能优化方案作了简要的阐述。 第四章：运用三点s t i g r m t i cp o i n t s 法消除a w g 器件的像差，并设计超窄通道 间隔( 0 1 n m ) 、超大通道数目( 2 5 6 通道) 的基于s o i 材料的平场接收型a w g 。 得到了星型耦合器的光栅曲线函数u ( w ) ，阵列波导的分布函数g ( w ) ，以及阵列波 导的长度差函数“w ) ，同时与传统罗兰圆法a w g 解复用器进行了比较。 第五章：总结与展望 8 淅江大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 1 ltc a n _ h a m , 。s i l i c o nq u a n t u mw i r e a r r a yf a b r i c a t i o nb ye l e c t r o c h e m i c a la n d c h e m i c a ld i s s o l u t i o n o f w a f e r s ，a p p lp h y sl e t t , 1 9 9 0 ，5 7 ( 10 ) ，p p 1 0 4 6 1 0 4 8 2 y ujz c h e nsw ：c h e nyye ta l , “r e s e a r c hp r o g r e s s e so fs o io p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c e sa n di n t e g r a t e do p t i c a ls w i t c hm a t r i x ，s c i e n c ei nc h i n as e r i e sf i n f o r m a t i o n s c i e n c e s ，2 0 0 5 ，4 8 ( 2 ) ，p p 2 3 4 2 4 6 3 1 啦i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ng r o u pi vp h o t o n i c s ，h o n gk o n g , 2 9s e p - 1o c t , 2 0 0 4 4 2 柏i e e ei n t e r n a t b n a lc o n f e r e n c eo ng r o u pi vp h o t o n i c s ，2 1 2 3 s c p2 0 0 5 ， a n t e w e r p ，b e l g i u m 5 3 r d i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ng r o u pw p h o t o n i c s ，o t t a w a , 1 3 1 5s e p ，2 0 0 6 6 mjc h e r t , jly e n , sct s a i ，e ta l , s t i m u l a t e de m i s s i o ni nan a n o s t r u c t u r e ds i l i c o n p nj u n c t i o nd i o d eu s i n g c u r r e n ti n j e c t i o n ，a p pp h y sl e t t e r , 2 0 0 4 ，8 4 ( 1 2 ) ， p p 2 1 6 3 2 1 6 5 7 h t t p ：n w w w i n t e l c o m r e s e a r c h p l a t f o r m s p h y b r i d l a s e r , h t m 8 c h e n gl i , q i n g q i n gy a n g , q i m i n gw a n g , e ta l ，“s i l x g e x s ir e s o n a n tc a v i t y e n h a n c e dp h o t o d e t e c t o r sw i t has i l i c o no no x i d er e f l e c t o ro p e r a t i n gn e a r1 3 u r n ， a p p l p h y sl e t t , 2 0 0 0 ，7 7 ( 2 ) ，p p 15 7 - 15 9 9 c h e n ge i , q i n g q i n gy a n g , q i m i n gw a n g , e ta li e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ， 2 0 0 0 ，1 2 ( 1 0 ) ，p p 1 3 7 0 1 3 7 3 10 y uj ，k a s p e re ，o e h m em ，“1 5 5u r nr e s o n a n tc a v i t ye n h a n c e dp h o t o d i o d eb a s e do n m b e g r o w n g eq u a n t u m d o t s ，t h i ns o l i df i l m s ，2 0 0 6 ，5 0 8 ( 1 - 2 ) ，p p 3 9 6 3 9 8 11 j s e n s o ra n ds c u s w o r t h d e v i c ef o rw a v e l e n g t h m u l t i p l e x i n g a n d d e m u l t i p l e x i n g ”，i e e ep r o c ，1 9 8 9 ，j 1 3 6 ( 3 ) ，p p 1 8 3 - 2 0 2 1 2 c k c a m i g l i a d e s i g n o ft h i n f i l mi n t e r f e r e n c ef i l t e r sf o rt e l e c o m m u r t i e a t i o m a p p l i c a t i o n s ”，o f c 2 0 0 0 ，2 0 0 0 ，p a p e rw f 4 1 ，p p 9 3 1 3 k r o b b i e ，aj e h m t i w , m j b r e t t , i l l m a c d o m l d ，j n m c m u u i n i n h o m o g e n e o u st h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r sf a b r i c a t e du s i n gg l a n c i n ga n g l ed e p o s i t i o n ， q 浙江大学硕士学位论文 参考文献 e l e c t r o r ll e t t , 1 9 9 7 ，3 4 ( 1 4 ) ，p p 1 2 1 3 - 1 2 1 4 1 4 工e r d o g a n f i b e rg a t i n gs p e c t r a ”，j l i g h t w a v et e c h n o l , 1 9 9 7 ，1 5 ( 8 ) ， p p 1 2 7 7 - 1 2 9 4 1 5 i g o l u ba n d 八k a t i e h , “t u n a b l eb a r r o w b a n df i l t e r su s i n gc h i r p e df i b e rb r a g g g r a t i n g sp l a c e di nl o o pm i r r o rc o n f i g u r a t i o f f ，o f c 2 0 0 1 ，a m h i e m , 2 0 0 1 ，p a p e r w y l 1 1 6 r o w l a n dh a ，p h i l m a g , 1 8 8 2 ，1 3 ，p p 4 6 7 1 7 马春生，刘式墉著，光波导模式理论，吉林长春吉林大学出版社，2 0 0 7 ，p p 3 8 5 1 8 s m i tm k ，e l e c t r o n l e t t , 1 9 8 8 ，2 4 ，p p 3 8 5 1 9 r e nb a i , a os h e n , y u b ol i , y i n l e ih a o ，x i a o q i n gj i a n g , j i a n y iy a n g ， d e s i g no f n a r r o wc h a n n e ls p a c i n gp h o t o n i c 嘶诧a w go ns 0 1w i t ht h r e es t i g m a t i cp o i n t s ”： p r o c o f s p i e ，2 0 1 0 ，7 8 4 7 ，p p0 y 1 o v l l 2 0 t a t s u h i k of u k a z a w a , f u m i a k i o h n oa n dt o s h i h i k ob a b a , “v e r yc o m p a c t a r r a y e d w a v e g u i d e - g r a t 吨d e m u l t i p l e x e ru s i n gsip h o t o n i cw i r ew a v e g u i d e s ”，j a p a n s o c i e t yo f a p p l i e dp h y s i c s ，2 0 0 4 ，4 3 ( 5b ) ，p p l 6 7 3 l 6 7 5 2 1 。k e m i a oj i a , w e n h u iw a n g , y a n z h e 妇甥y i r o n gy a n g , j i a n y i 翰n gx i a o q i n gj l a n g , y a r n i n gw u , m i n g h u aw a n g , a n dy u e l i nw a n g , si l i c o n - o n - i n s u l a t o r - b a s e do p t i c a l d e m u l t i p l e x e re m p l o y i n gt u r i n g - m i r r o r - i n t e g r a t e da r r a y e d - w a v e g u i d ec r a t 迦”， p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，f e b 2 0 0 5 ，17 ( 2 ) ，p p 3 7 8 3 8 0 浙江大学硕士学位论文第二章硅基光子线a w g 的设计 第二章硅基光子线a w g 的设计 a w g 的设计思路最初由k s m i t 于1 9 9 6 年提出【1 1 。近些年来，已有多篇文章发 表了关于a w g 各部分光场的计算方法。本章利用高斯近似光束和夫琅禾费菲涅 耳衍射积分公式【2 】，给出一种简便的模拟计算阵列波导光栅的方法。由于a w g 器 件中存在着大量弯曲波导，故本章在2 1 节先给出弯曲波导场分布的计算方法。 2 1 极坐标下弯曲波导的场分布 在设计a w g 时，存在着大量的弯曲波导。已有许多文章对弯曲波导的场分布 以及损耗问题进行了分析讨论。根据物理意义，弯曲波导的传播常数一定是复数。 所以在计算弯曲波导的场分布时，一定要加上p m l 层，这样才能出现复传播常数。 传播常数的虚部代表波导的损耗。当波导的弯曲半径大于某值r m i n 时，传播常 数的虚部很小，这时可以将虚部忽略而将波导视作没有损耗。本节将推导出极坐标 下弯曲波导的场分布公式，并计算出r m j n 。 定义两个物理量：o ( 电导率) 、p ( 磁导率) ，分别来表示电场和磁场在p m l 层中的衰减系数。包含电导率、磁导率的麦克斯韦方程可以写为如下形式： v e = j ( i ) “o h p h ( 2 1 a ) v h = j i ) 0 r e + o e ( 2 1 b ) v b = 0( 2 1 c ) v d = p c = 0 ( 2 1 d ) 其中，b = p h ，d = e ，p = p l o l _ l ，+ 品= p 。+ 盖，= 。r + 盖 实部、虚部都要满足阻抗匹配，即“= 1 1 0 o ，= p g 由以上公式和条件推导得出包含电导、磁导的电场波动方程： v 2 m ( 嚣e ) + k 2 啦j c o p o o e - j t o e o e r p e - p a e + 丽1 v p ( v e ) = 。 ( 2 2 a ) 包含电导、磁导的磁场波动方程： v 2 h + v ，一、，1 而v p h ) + 篱( v h ) + k 2 廿j 6 0 p o o h - j e o r p h - p o h = 。 ( 2 2 b ) 浙江大学硕士学位论文 第二章硅基光子线a w g 的设计 v = 蕾旦o r + 百三r 旦0 0 + 萝旦o y ， a 21a1a 2 a 2 v 2 = 瓦了+ i 磊+ 一r 2 a o 2 + a y 2 将公式( 2 2