（物理电子学专业论文）单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 光波导和单模光纤( s m f ) 的耦合是光波导器件研制过程中的关键技术之一。 影响其有效耦合的主要因素是模场失配。模斑转换器( s s c ) 是解决模场失配问题的 一种有效手段，己成为光波导器件的光波入出口元件。 本文首先从m a x w e l l 方程组出发，系统总结了有限差分束传输法( f d b p m ) ，推 导出基于慢变包络近似( s e v a ) 的三维时域有限差分束传输方程( f d t d b p m ) ，并进 一步将交替隐式迭代法( a d i m ) 和综合道格拉斯格式( g d ) 应用于该方程，得到了具有 较高稳定性和较高精度的的差分方程。同时，对激励源和边界条件的使用都作了较 为详细的探讨。 接着，本文基于f d - b p m 深入研究了基于g a a s 半导体材料的脊型光波导和单模 光纤间s s c ，分析了其中光波传输演变以及引起插入损耗的各种因素，如侧面边界、 长度、大端宽度和厚度，以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数，分别确 定了二维、三维锥形光波导模斑转换器、三维锥形光波导模斑转换器和过渡波导的最 佳参数。对横向偏移与损耗增量的关系、s s c 中的光波模式转换和光功率传输演变作 了数值仿真，获得了最佳耦合点，对s s c 的横向校准容差也作了详细的分析。 最后，本文还将模斑转换器应用于平面光波导器件，进行了实验，并对器件作了 检测和验证，获得了预期的结果。 关键词 ：平面光波导器件，连接耦合，模场失配，模斑转换器，束传输法，时域 有限差分法，综合道格拉斯法。 查童盔堂墅主堂堡堡塞 ! ! a b s t r a c t t h ec o u p l i n gb e t w e e ns i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r ( s m f ) a n do p t i c a lw a v e g u i d ei s o n eo fc r i t i c a l t e c h n i q u e sd u r i n gt h ep e r i o do f t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t f o ro p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s t h em a i n f a c t o ri n f e c t i n gt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yi sm o d ef i e l dm i s m a t c h s p o t s i z ec o n v e r t e r ( s s c ) i sae f f e c t i v e m e a n st oe l i m i n a t em o d ef i e l dm i s m a t c ha n dh a sb e c o m et h ei m p o r t a n ti n o u tc o m p o n e n ti no p t i c a l w a v e g u i d e d e v i c e s i nt h i s p a p e r ，f i r s t l y , b a s e do nm a x w e l le q u a t i o n sa n ds l o w l yv a r y i n ge n v e l o pa p p r o x i m a t i o n ( s v e a ) ，t h em o d e l f o rt h r e ed i m e n s i o n a lt i m e d o m a i nf i n i t ed i f f e r e n c es c a l a rb e a m p r o p a g a t i n g m e t h o d ( b p m ) i sd e d u c e da f t e rm a k i n g a t h o r o u g hs u m m a r y o f t h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d a n d t h e n ，b yu s i n g a l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i tm e t h o d ( a d i m ) a n dg e n e r a ld o u g l a s ( g d ) ，t h e f i n i t ed i f f e r e n c ee q u a t i o n s w i t hh i g hs t a b i l i t ya n dp r e c i s i o nh a v eb e e no b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n d s t i m u l a n ts o u r c eh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e di nd e t a i l s u b s e q t l e n t l y , t h e2 d a n d3 dm p e r e ds s cf o rc o n n e c t i n gs m ft or i bo p t i c a lw a v e g u i d eb a s e do n g a a ss u b s t r a t eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l yb yu s i n gf d b p m w ea n a l y z ea n ds i m u l a t e l i g h t - w a v et r a n s m i t t i n gi nt h e s ea sw e l la ss o m ep a r a m e t e r st h a tc o u l d i n d u c et h ei n s e r t i o nl o s s ，s u c ha s l a t e r a lb o u n d a r i e s ，l e n g t h , w i d t ho ft h el a r g es e c t i o n ，t h i c k n e s sa n dt h o s eo ft h et r a n s i t i o n a lo p t i c a l w a v e g u i d e sf o rc o n n e c t i n gs m f t os s c o p t i m a ld e s i g no n2 d t - s s c ，3 d - t - s s c ，a n dt h et r a n s i t i o n a l o p t i c a lw a v e g u i d ea r ea c q u i r e d ，r e s p e c t i v e l y t h ei n s e r t i o nl o s sv e r s u st h et r a n s v e r s eo f f s e t ，t h em o d e t r a n s f e ra n dt h el i g h tw a v et r a n s m i s s i o ni ns s ca r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d t h eo p t i m a lc o u p l i n gp o i n t o nt h ec r o s ss e c t i o no ft h et r a n s i t i o n a lr i bw a v e g u i d ei so b t a i n e d a n da l s o ，t h ea l i g r n n e n tt o l e r a n c eo f t r a n s v e r s eo f f s e ti sa n a l y z e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y , t h es s cd e s i g n e dh a sb e e na p p l i e di np l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sw h i c hh a v eb e e n m a n u f a c t u r e d s o m ec o u p l i n gd e v i c e sh a sb e e ne x a m i n e da n dt e s t e d k e yw o r d s ：p l a n a rw a v e g u i d ed e v i c e s ，b u t tc o u p l i n g ，m o d ef i e l dm i s m a t c h ，s p o t - s i z ec o n v e r t e r ，b p m ， f d t d ，g e n e r a ld o u g l a s 学位论文独创性声明 v6 9 4 4 4 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加盼标注和致谢的地方外，论文中小包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：迷翌堡日期：里必7 关于学位论文使甩接权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电了文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：丛拿丝导师签名：圣! 塞口 期： 护，牛7 于 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，人类历史已经进入了一个崭新的时代一信 息时代。作为信息科学的基础：电子学与电子技术将由微电子学与技术向纳米电 子学及分子电子学与技术发展；近年来，光子学作为一门新兴学科继电子学之后， 又为信息科学的发展提供了一个重要的可靠基础【1 】【2 】。正是在这样的背景下，光 纤技术和光子器件技术不断进步，光纤产品不断更新换代，新的光子器件不断涌 现，光子集成技术也日趋成熟口h 6 1 。其中新一代大容量单模光纤的使用、w d m 技术与光放大器技术的完美结合，极大地提高了光纤通信系统的性能与通信容 量，促进了光通信由点到点w d m 系统走向光联网，并且向全光网络转变7 】【8 】。 本章在回顾光通信技术和光予器件发展的基础上，对平面光波导器件的种类、 功能和制作工艺，及其同单模光纤连接耦合的技术作了深入的阐述和总结，指出 开发带有光纤接口的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信网得以顺利实现 的关键问题之一。 1 1 光通信技术与光子器件的发展 第一代光纤的研制成功直接导致了光通信的兴起，引起了通信网络的变革。 此后光纤通信经历了传统的电光网络时期，并正在向密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 结合光放大器o a ( o p t i c a l a m p l i f i e r ) 的透明光网络的方向发展f 7 卜1 9 j 。在此过程中，光纤和光子器件技术的进步进一步 推动了光通信技术的发展和完善，而另一方面光通信技术的发展又对光纤和光子 器件技术提出了新的要求。 1 1 1 光网络和w d m 技术 通信网络的发展已经经历了两代，第一代为用电缆将网络节点互联在一起的 全电网络；第二代网络称为电光网络，其特征是用光缆取代电缆，但网络节点内 仍然是对电信号进行交换。第三代网络称为透明光网络，其特征是不仅用光缆取 代电缆，网络节点也被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号进行交换。 透明光网络是光在传输、放大、中继、光存储、上下话路、分组交换、复用 和解复用等过程中完全是在光频范围内进行处理的网络。构建高速、大容量的透 第一章绪论 明光网络的关键在于超高速光传输技术和光交换技术以及新型大容量光纤和高 速光子器件 8 】( 1 3 】。 最初的光纤传输系统采用电的时分复用技术( e t d m ) ，但e t d m 目前的最 高数字速率也只有1 0 g b s ，4 0 g b s 以上的光纤通信系统很难实现i t 4 1 5 】。为充分 发挥光纤的带宽潜力，打破电子瓶颈的限制，8 0 年代后期，国际上开始利用一 根光纤同时传输多个光载波。如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每 路的数字信号同在一根光纤上传输，不会发生相互干扰。这就是光纤通信使用的 复用技术，称为“波分复用( w d m ) t 6 1 f 1 8 】”。 与此同时，光放大技术也取得了长足的进步。在光网络中，依据放大方式将 光信号放大器分为再生器和光放大器。再生器不仅具有光放大功能，还有整形和 定时恢复等功能，但它采用光一电一光方式。光放大器( 0 a ) 是基于通常的激 光器原理的一种器件，它能够直接放大光信号。这就使全光中继成为可能，而且 实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大。 t 图1 1 w d m 光纤传输系统 图1 1 为使用了掺饵光纤放大器的w d m 光纤传输系统。几个几百、上千个 波长在单根光纤中一起传输用e d f a 中继放大，使传输容量提高几倍几百、 上千倍，从而打破电子瓶颈的限制。 普通的点到点w d m 通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供原始传输带 宽，需要有灵活的节点才能提供高效灵活的组网能力。近年来，光分插复用器 ( o a d m ) 和光交叉连接器( 0 x c ) 的使用使得光交换技术得到了很大的发展， 点对点和一点对多点的w d m 通信系统正被光联网的w d m 通信系统所取代。 由以上可见，光网络的发展离不开w d m 技术和光交换技术的进步，而这些 技术的进步最终得益于大容量光纤和o a 、o x c 、o a d m 等光器件的使用。另外， 在未来的全光通信系统中，为实现光信号的透明传输，就必须全部使用光子器件， 第一章绪论 以直接对光信号进行放大、交换、复用和分用等处理。国外各大公司及大学的相 关科研机构投入了大量的人力、物力、财力来研究开发用于d w d m 光网络的各 类光子器件，随着平面光波导技术1 1 9 1 、光纤光栅及光子集成技术的出现，应用于 w d m 系统的光子器件正朝着全光纤化和系统集成化方向发展【4 h 7 1 1 1 2 用于w d m 系统中的光子器件 各种光子器件如半导体激光器、光探测器等有源器件以及光开关、光调制 器、波分复用朋浑复用器等无源器件，大部分已应用于d w d m 商用光网络中，需 求较大。目前。平面光波导器件( p w d s ) 的研究工作正在深入，围绕着提高性 能、降低成本、提高器件集成度等目标，仍在研究新材料、提出新机理、开发新 工艺。基于平面光波导技术的的光子集成芯片( p i c s ) 成为当前研究热点。 目前用于w d m 系统的光子器件器件主要有【1 6 】【2 0 1 ： 1 发光二极管和半导体激光器，这是广泛用于光通信系统的两种半导体光源。 光源和其驱动电路可以组成光发送机，有效地将光信号送入传输光纤。 2 光检测器，其作用是把接收到的光信号转化为电信号。此类器件有雪崩光电 _ 二极管( a p d ) 和p i n 光电二极管( p i n ) 。光检测器、前置放大器和相关电路 组成光接收机，接受光信号并恢复出光载波所携带的信息。 3 再生器和光放大器。对光纤中衰减的光信号进行放大、再生。 4 光滤波器。其功能与电子滤波器相似，是从多个频率中识别出一个狭窄的频 带，让其功过，或阻止它。 5 波分复用解复用器。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的 光信号复合在一起，并注入到一根光纤。解复用器的功能与之相反。此类器件可 分为无源和有源两类。 6 分插复用器( o a d m ) 和交叉连接器( o x c ) 。o a d m 的主要功能是在保持 其它信道不变的情况下，将某些信道取出，而将另外一些信道插入。o x c 的功 能则是对波长选择和进行光通道交换。前者是一个波分复用解复用对。而后者 由若干个复用器、解复用器和光开关复合而成。 7 波长转换器。其功能是把信号从一个波长转换到另一个波长，从而节约资源 ( 光纤、节点规模、波长) 、简化网络管理并降低网络互联的复杂性。 8 光分路器耦合器。此类器件的主要功能是对光信号进行分配和合成、提取 第一章绪论 和监测，应用十分广泛。 9 光调制器。其功能为实现光作为传输媒质来传递信息，将信号加载到载波激 光束上。 1 0 光开关。其功能为转换光路，以实现光信号的交换。 除此以外。w d m 光通信系统的器件还包括连接器、波长转换器、光环行器、 光隔离器等等。 目前为止透明光网络设备还未完全进入商用化阶段，究其原因主要是：一方 面网络传输标准的发展未完善，另一方面是由于光器件的技术发展也还待突破。 随着w d m 光通信系统的发展，光器件对光通信的影响越来越深，而光通信 的发展也呼唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现。在以d w d m 为 目标的全光通信网络发展的推动下，光子器件已经呈现出如下的发展趋势【2 卜 ：( 1 ) 纤维光学和集成光学共同发展，互为补充。( 2 ) 分离器件和集成化器件将长 期共存，但发展趋势是集成化。与此趋势相适应的是加强工艺技术必将向高、精、 尖的方向发展，而寻找光器件所需的新型光学材料的努力也必将持续下去【2 6 1 。 1 1 3 光子集成芯片技术和应用前景 w d m 光通信系统的高速发展促进了市场对各种光器件的需求，把不同功能 的光子器件通过内部光波导互连，制成了一个光子集成芯片( p i c s ，p h o t o n i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，包括激光器与光子接受器、放大器、调制器和光开关等。 p i c s 具有密集、稳定和适合于大规模生产等优点，因而极大地满足了市场需求。 典型的p l c s 制作过程要遵循定的步骤【2 7 】。影响p i c s 性能的关键是其折射 率的空间分布。对于简单的阶跃型蚀刻波导结构，折射率分布可以通过集成基片 的平面外形图获得，而该基片就包含所用材料的扩散模型。对其他的波导结构， 可以使用内扩散或者离子交换技术制作完整的二维模型。另一重要步骤是对p i c 的性能进行模拟和优化，目前可获得的商用的模拟工具主要依赖于束传输法 ( b p m ) 。另一可行的模拟方法是本征模分析法。这两种方法常被结合起来使用。 在掩模设计阶段，预期的波导结构被变换成一套照相平版印刷掩模，p i c 的多层 压模被重叠在掩模上。附加的部件如校准结构、过程控制和检测结构也被包括在 其中。 目前光子集成器件因要应用各种电光效应，也离不开电的操作，因此实用的 第一章绪论 光子集成芯片必须配之相应的电子回路和成熟的微电子技术于终端处理，即大型 的光电子集成系统。 近年来，光子集成( p i c ) 和光电子集成( p e i c ) 的迅速发展，又为全光通信的 实现创造了一条更现实的途径。例如，最近研制开发的光通信用p i c 发射机与接 收机，即可用来建立一个简单的准全光通信系统。 1 2 平面光波导器件( p w d s ，p l a n a rw a v e g u i d ed e v i c e s ) 光器件主要有三种i 2 8 】它们是： ( 1 ) 光纤器件。光纤不仅是传输介质，很多器件如光纤耦合器、光纤放大器、 光纤滤波器等都可以利用光纤技术由光纤制得，这就是光纤器件。 ( 2 ) 微光学器件。该技术用来制造高精度的微光学元件，如微透镜、微棱镜、 衍射光栅等。 ( 3 ) 平面光波导器件。在平面光波导技术中，利用半导体芯片工艺，光器件 被制作在平面基片( 主要是硅基片) 的表面就形成了平面光波导器件。 平面光波导技术具有很多的优点： 1 、该技术可以比其他技术更高效、经济地制作成许多互联的光子器件。 2 、能够比在光纤技术中更精确的控制临界尺寸。 3 、由于以上原因( 精确控制尺寸) ，许多光器件只可以用此法而不可以用其他 方法制作。例如波导光栅路由器( w g r s ，w a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e r s ) 。 4 、许多器件可以被制作在同一个衬底上，而后再把它们分成独立的器件。同那 种一次只能制作一个器件的技术相比，这就极大地减少了制作费用。 光波导是光集成的基础，将几个、几十个甚至成百上千个相同或者不同的平 面光波导器件集成在同一个基片上，就形成了平面集成光路( p l c ，p l a n a rl i g h t w a v c c i r c u i t ) 。 1 2 1 平面光波导器件( p w d s ) 种类和功能 平面光波导器件种类很多，大部分光子器件有其对应的平面光波导类型。目 前已经开发或者正在研制的主要有以下几种类型。 1 、1 n 分束器 在单一的元件基片上连接多级y 型分路元件，形成lx n ( n = 2 ，4 ，6 ，8 ，1 6 ，3 2 ) 分束器，实现光信号分路。这是一种开发较早且较为成熟的平面光波导器件。 第一章绪论 2 、光波导耦合器 光耦合器是一个多功能多用途的产品，从功能上它可分为光功率分配器和光 波长分配器。利用平面光波导技术制作的光波导耦合器具有体积小、分光比控制 精确、易于批量生产等优点，尤其是它顺应了未来光纤通信集成化的发展趋势， 尽管目前技术尚不成熟，但必将代替熔融拉锥型光耦合器成为市场主流。 3 、阵列光波导光栅( a w g ，a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g s ) 阵列波导光栅的输出端口与波长有一一对应关系，不同波长组成的入射光束 经阵列波导光栅传输后，以波长的不同就出现在不同的波导端口上，实现波长的 复用和解复用功能。该器件除了用于波分复用和解复用器以外，还可以用于波导 光栅路由器( w g r ) 。 4 、光波导型光开关 波导光开关可分为电光开关、热光开关、声光开关和磁光开关，分别利用半 导体材料的各种物理效应。进行光路转换，以实现光信号的交换。与机械式光开 关相比波导型光开关具有开关速度快( 主要指电光和磁光开关) 、体积小，便于 集成等优点。 5 、光调制器 调制有直接调制和外调制两种方式，都是为了对光信号的幅度、相位频率实 现调制。电光调制器、声光调制器和电吸收波导调制器为目前三种主要的调制器， 都可以通过平面光波导技术制作。 6 、光滤波器 光滤波器从包含多个频率分量的光信号中提取出所需频率的信号，让其通过 或阻止其通过。谐振腔滤波器和马赫一曾德尔干涉滤波器都可以通过平面光波导 技术来实现，多个马赫一曾德尔干涉滤波器还可以在平面光波导上互联形成级联 马赫一曾德尔干涉滤波器。 1 2 2p w d s 材料 要发展新的光纤通信系统，必需首先发展光器件，而要发展光器件，就必须 发展光器件材料。平面光波导器件的材料主要包括二氧化硅、硅、铌酸锂 ( l i n i 0 3 ) 、i l l v 族化合物半导体材料等。下面介绍几种材料系统的特性。 在硅上生长二氧化硅技术是应用最广泛的平面技术。利用在硅上生长二氧化 第一章绪论 硅的技术已经制造了激光器，放大器，耦合器，滤波器，光开光和衰减器。在绝 缘体上的硅平面波导技术是最近几年发展起来的，作为暂时替代硅片上二氧化硅 技术的产物。该技术已经应用生产出耦合器，滤波器和光开关。 铌酸锂( l i n i 0 3 ) 由于其优良的电光系数、声光系数，加上容易加工处理和 环境的稳定性，使其成为应用广泛的平面光波导器件材料之一。其主要优点有： 传输损耗低、模式尺寸能和单模光纤很好的匹配、驱动电压低、调制带宽较宽、 集成度高、工艺较成熟等优点。利用l i n i 0 3 制造光波导器件的技术已经比较成 熟。铌酸锂技术已经应用生产光波导调制器、耦合器、滤波器和光开光等 i i i v 族化合物半导体具有量好的光、电性能。可实现各种光电元件的单片 集成，其最大的优点是能把光和电两种器件较为完美的集成在一起。尽管这种材 料制作光波导现在还不如用l i n i 0 3 材料成熟，但由于其具有良好的光电集成前 景，因而越来越受到关注。日本在这方面已处于领先地位，日本n t t 光子学实 验室( n t tp h o t o n i c sl a b o r a t o r i e s ) 已成功研制出基于i n g a a i a s i n a i a s 的超高 速量子阱定向耦合器光波导模块【2 9 1 。 为追求功能更全面、性能更完美的平面光波导器件，人们在努力提高工艺水 平的同时，也在不断的探索新的材料，如有机和聚合物材料、光子晶体等。发展 新材料不仅是平面光波导器件技术发展的需要，也是光通信的核心问题。 1 2 3 平面光波导器件制作工艺 光器件的制作工艺特别复杂，涉及许多不同的工艺技术。器件的优劣、性能 指标的好坏都与工艺技术密切相关。因此，寻求更新更先进的工艺技术是发展光 器件的重要课题，也是推动光纤通信事业向前发展的关键之一。 目前，制作平面光波导器件的主要方法是沉积蚀刻法【捌，其主要步骤为： 1 准备一块完整的硅片作为基片，并且打磨其表面，越平整越好。2 向基片表面 沉积1 0 2 0 微米的纯硅，并且通以高湿气体，在基片表面将形成一层$ i 0 2 覆层。 3 向表面沉积掺杂的硅7 8 微米，形成芯层。4 然后在基片表面覆盖以感光性树 脂，器件图案被投射到感光性树脂表面，曝光。5 将基片用氢氟酸处理，除了被 掩模覆盖的地方，芯层其余部分都被溶解。6 将另一层纯硅向基片的表面沉积， 并和先前沉积的过渡层连成一片，这一沉积过程将持续到芯层被掩埋到所需的深 度且表面重新平整为止。图1 2 为沉积蚀刻法制作平面光波导器件的示意图。 第一章绪论 另外向衬底扩散掺杂剂和用高强度激光和感光掺杂剂向波导写入( 例如锗在 二氧化硅玻璃中) 也是常用的制作平面光波导器件的方法。 圭喜f _ 谭万 厂疆可 i 4 2 _ i 孑再 r 葡f 1 r 葡f 一 蹦1 ，2 沉积蚀刻法制作平面光波导器件的步骤 1 2 4 测试和封装技术 平面光波导器件制作完成以后，将基片贴到适当大小的陶瓷片上，对电光器 件还要加上相应的电极。接下来的工作就是测试，测试的目的是检查器件的光学 性能，验证设计方法和模型，探索光纤与待测单元器件之间的连接耦合技术。在 测试中，除需要高分辨率显微镜以外，还需要光谱分析仪、光纤融接机、精密三 维微调架、光功率计等仪器。 检测过程中，使用微调架调整光纤和光波导对准时，由于调整的自由度多， 造成的难度非常大。在实际封装时，如果涉及阵列波导和单模光纤耦合连接，对 准的难度就更大。为解决这一问题，通常的办法是使用光纤定位槽，这样可以 减少调整的自由度，从而减小调整的难度。 光纤定位槽可以直接加工在波导端面处，但目前工艺中使用的离子刻蚀方法 在加工光纤定位槽时，会造成波导端面粗糙不平，使得端面漫反射造成的损耗增 大。另外，干法刻蚀会对侧壁有腐蚀作用，造成槽口变宽，对准损耗增大。为克 服上述缺点，现在一般直接加工光纤和光波导的定位槽，实现光纤和光波导横向 和纵向的对准。 在硅基片，使用不同的半导体工艺，可以腐蚀出u 型槽，也可以腐蚀出v 型 槽和菱形槽 3 。图1 3 中w u 一般等于单模光纤直径。而w v , w r 和d f 的选定可 以调整光纤在定位槽中的位置。与使用u 型槽相比，使用v 型槽还可以满 足深度方向的对准要求。菱形槽除具有v 形槽的优点以外，还可以包容裸露的 光纤，其平整的硅基片表面还可以集成其他光子器件。目前光纤定位槽技术已很 第一章绪论 成熟，且各种型号的定位槽都有市售。 删l 3 光纤和定位槽位置关系，( a ) v 型槽( b ) 菱形槽( c ) u 型槽 1 3 单模光纤和光波导的耦合连接 光波导是光集成的核心。大部分光器件，如上述平面光波导器件都是以光波 导为基础的，各种光集成芯片的结构也都是围绕光波导而展开的。所以各种光波 导器件，以及光集成芯片从实验室走向实用化的关键是实现光波导和单模光纤的 有效耦合a 开发出带有光纤耦合功能的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信 网得以顺利实现的关键问题之一 1 3 1 影响单模光纤和光波导耦合连接的因素 影响单模光纤与光波导之间是耦合的因素很多主要有横向偏移、端面间隙、 端面菲涅耳反射、数值孔径失配、传输损耗以及光纤与波导间的模场失配等。其 中横向偏移误差可以使用v 型槽得到控制，数值孔径失配、菲涅耳反射和端面间 隙带来的插入损耗可以使用折射率匹配液得以减小传输损耗可以使用新材料或 改变波导结构而得以减低。 芯 图i 4 使用v 型槽进行单模光纤和光波导韵耦合连接 与其它因素相比，光纤与波导间的模场失配是个主要因素，这是因为光纤中 第一章绪论 的光波能量向波导转移是通过波导模场和光纤模场的匹配来完成的。造成模场失 配的主要原因是光纤和光波导尺寸和折射率的差异。如图1 4 ，使用光纤定位槽 可以有效减小横向偏移和纵向间隙带来的损耗，但对由于尺寸差异造成的模场失 配带来的损耗却无能为力。 要解决此问题，有必要先了解一下单模光纤和光波导耦合连接的实现方法。 1 3 2 单模光纤和光波导耦合连接的实现方法 人们一直在研究单模光纤和光波导耦合连接的实现方法，以寻找减小模场失 配带来的插入损耗的最佳途径。单模光纤和光波导耦合连接的实现方法可归纳总 结如下【3 2 1 ： 纤芯 ( a ) ( b ) ( c ) 圈l5 改变光纤端面和波导耦合( 8 ) 平端( b ) 球面( c ) 锥形 纤芯 j 图i6 改变波导端面和光纤耦合 方法i 改进光纤端面以实现 单模光纤和光波导的有效耦合【3 3 】。 如将光纤端面加工成球面、锥形或 者用光致抗蚀剂在光纤端面制作一 个微透镜都可以提高单模光纤和光 波导耦合效率。如图1 5 所示。 方法2 改变波导芯层横截面在 宽度和深度方向的尺寸p 舢，以求光 纤模场和光波导，从而获得更高的 耦合效率如图1 6 所示。 方法3 嵌入式耦合【3 5 】p 6 1 。同 图1 7 嵌入式耦合 样需要改变单模光纤的端面形状，另外此法还需要在波导端面钻一小孔，或者做 成v 型槽结构以便于单模光纤的嵌入。如图1 7 所示。 第一章绪论 方法1 因具有光纤易断、工艺复杂且不利于集成等缺点，因此很难得到推广。 方法3 除具有方法l 的缺点以外，工艺更加繁琐。尽管此法可以获得比方法l 更 好的效果，但它不利于集成化制作。也就不能顺应光通信发展的需要。 方法2 则利用平面光波导技术的优势，改变光波导端面的形状和大小，其实 质就是在光纤和光波导之间加接一个锥形光波导，以求单模光纤和光波导模场的 最佳匹配和数值孔径的最大吻合，从根本解决了影响光纤和光波导有效耦合的主 要问题。此法被认为是目前解决模场失配的最好的办法，同时又因为此法有利于 集成，顺应了光通信向向集成化方向的发展的需要，因而越来越受到重视，也吸 引了更多的人去研究。 由于这种锥形光波导具有转换光波模式和改变光波模斑大小、形状的功能， 所以被命名为锥形光波导模斑转换器( t - s s c ，t a p e r e dw a v e g u i d es p o t s i z e c o n v e r t e r ) 。以方法2 的思想为基础，为顺应光集成技术的发展，一种新的光波 导元器件一锥形光波导模斑转换器已经成为人们研究的热点1 3 7 1 f 4 3 】。 i t 1 4 模斑转换器的分类及目前研究状况 最常见的t - s s c 是二维光波导锥形模斑转换器( 2 0 t - s s c ) ( 如图1 8 a 所示) ， 其长度和宽度可以变化，但其厚度不能改变。在早期工艺水平受到限制、无法改 变光波导的厚度的情况下，这种2 d t - s s c 更显得重要。尽管可以对其边界作各 种各样的变化，但由于其厚度不能发生变化，2 d - t - s s c 对耦含效率的提高毕竟 是有限的。近年来随着光通信的发展和工艺水平的提高，长度、宽度和厚度都能 变化的三维锥形光波导模斑转换器( 3 d t - s s c ) 逐渐得到了更广泛的研究和应用 1 2 9 1 ( 如图1 8 b 所示) 。 t - s s c 还可根据其横截面的形状而划分为不同的类别。常见的有矩型光波导 t - s s c 和脊形光波导t - s s c 。前者的横截面是矩型，用来和矩型光波导连接，而 后者的横截面是脊形，用来和脊形光波导相连接。脊形光波导由于在传输特性和 制作工艺方面具有的优越性1 4 9 1 ，使其在光集成器件中得到广泛的应用。但脊形光 波导和单模光纤横截面的形状和尺寸存在很大的差异，它们的折射率相差也很 大，这就使得脊形光波导t - s s c 和单模光纤之间存在较为严重的模场失配，耦合 较为困难。因此，对脊形光波导t - s s c 的研究必须进一步深入。 第一章绪论 如按照t - s s c 的侧面边界来划分，可将其分为线性t - s s c 和非线性t - s s c 。 线性t - s s c 的侧面边界为直线，制作工艺简单，使用普遍。而非线性模斑转换器 图18 ( a ) 二维光波导锥形模斑转换器；( b ) - - 维光波导锥形模斑转换器 的侧面边界函数是非线性的，往往比线性t - s s c 具有更好的耦合性能。在无法改 变光波导的厚度的情况下，非线性边界的t - s s c 显得很重要，合适的边界成为降 低2 d t - s s c 损耗的关键。 用来制作光波导的材料很多，其中i i i - v 族化合物半导体材料由于具有能把 光和电两种器件较为完美的集成在一起最大的优点，因而基于h i v 族化合物半 导体材料的脊形光波导越来越多的被用来制作光波导器件和光集成器件。但 i i 卜v 族化合物半导体材料折射率比较大。例如常被用来制作光开关光调制器的 g a a s ，其折射率为3 4 4 ，比制作单模光纤所用的硅的折射率( 约为1 4 6 ) 大很 多再加上脊形光波导和单模光纤横截面的形状和尺寸存在很大的差异等因素， 基于g a a s 的脊形光波导和单模光纤的模场将存在严重的模场失配。为此，研究 基于i i i - v 族化合物半导体材料t - s s c 是目前的一项重要任务。 表1 各种类型s s c 调查总结 线性非线性 s s c 类型2 d 3 d条形 脊形l i n i o ，i i i v 族 边界边界 研究研究研究研究研究研究研究 研究状况渐热 收敛起始收敛收敛起始收敛收敛 较为较为 使用状况少渐多普遍渐多普煽较少 普遍普遍 工艺简单复杂简单较复杂成熟复杂简单复杂 达到有特达到有待几乎达到有待达到有特 性能限界 极限开发极限开发极限开发极限开发 对各种类型的s s c 研发、使用情况作了调查总结，如表1 所示，仅供参考。 由以上分析可知，基于i i i v 族化合物半导体材料的t - s s c ，尤其是3 d t - s s c 应该得到更深入的研究。 第一章绪论 1 5 本文主要工作 本文第一章在回顾了光子学和光通信发展的基础上，指出开发出带有光纤耦 合功能的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信网得以顺利实现的关键问题 之一，以及研制一种光波导元器件一模斑转换器的重要性。 第二章为数值模拟方法。本文从m a x w e l l 基本方程出发，推导出基于慢变包 络近似( s e v a ) 的三维时域有限差分束传输方程，并进一步采用交替隐式迭代法 ( a d i m ) ，推导了3 d d o u g l a s - t d f d - b p m 差分方程组。对2 d g d t d f d b p m 作了总结，并将综合道格拉斯格式( g d ) 用于三维时域有限差分束传输方程。建 立了3 d g d - t d f d b p m 差分方程的数学模型。本章对c n 格式和g d 格式作 了比较，对激励源和边界条件也作了详细的说明。 第三章为本文的主体。在本章利用数学手段对2 d - t - s s c 和3 d - t s s c 进行了 模拟设计。分析了t - s s c 中的光波传输演变以及影响t - s s c 性能的各种因素， 确定了脊型光波导、2 d t - s s c 、3 d - t - s s c 和过渡波导的最佳参数。对横向偏移 与损耗增量的关系、归一化功率因子和t - s s c 中的光波模式的转换都作了数值模 拟，获得了最佳耦合点，对t - s s c 的横向校准容差也作了详细的分析。 第四章为t - s s c 在平面光波导器件中的应用。本章将t - s s c 应用于平面分支 波导和其他平面光波导器件，进行了试验，并对器件进行了检测和验证，对制作 工艺和封装技术也作了详细的说明。 参考文献： 1 王启明，光子学技术一新世纪信息高科技的佼佼者，世昼科撞班宜皇蕴羼v 0 1 2 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h n o l o g y , j o u r n a lo f ， v 0 1 1 8 ，n o 1 ，j a n2 0 0 0 p a g e ( s ) ：3 4 - 4 3 1 6 s v 卡塔洛颇罗斯， 美 朗讯科技有限公司著；高启祥译。密集波分复用技术导论厶 匿蠼生出题塾2 0 0 1 年9 月第1 版 17 a s a t a n i ，k 一：w a t a n a b e ，r ：n o s u ，k ；e t ，a l af i e l dt r i a lo ff i b e ro p t i cs u b s c r i b e rl o o p s y s t e m su t i l i z i n gw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x e r s ，c o m m u n i c a t i o n s ，i e e et r a n s a c t i o n s o n 1 e g a c y , p r e 1 9 8 8 ，v 0 1 3 0 ，n o 9 ，s e p1 9 8 2p a g e ( s ) ：2 1 7 2 - 2 1 8 4 18 m i k i ，t ；i s h i o ，h ；v i a b i l i t i e so ft h ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gt r a n s m i s s i o n s y s t e mo v e ra no p t i c a lf i b e rc a b l e ，c o m m u n i c a t i o n s ，i e e et r a n s a c t i o