SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的精确测量与理论分析（英文）

采用法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔(也称F-P腔)方法测试SOI波导光传输损耗及其与光纤的端面耦合损耗的测量精度,对具有相同尺寸长度为8.37 mm的三条SOI波导通道进行测量,得到SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的平均值与测量精度值,且测量精度偏差值很小。通过温度的自动控制扫描仪对另一条长度为12.5 mm的SOI波导进行三次重复测量,获得的传输损耗值和端面耦合损耗值相同,说明采用F-P腔方法获得的测量精度值很稳定。建立了SOI波导传输损耗测量精度da/a与F-P腔谐振输出功率极限值消光比的相对误差dtM/tM和SOI波导端面菲涅耳反射系数的相对误差d R/R之间关系的理论模型。模拟结果表明:改变SOI波导上、下包层和芯层折射率,对光传输损耗和波导-光纤端面耦合损耗的测试精度无影响。数值模拟结果与实验测试结果相一致。     

BESOI光波导的研制

本文通过大量实验,采用键合及背腐蚀方法研制成功 SOI 光波导,传输损耗仅0.85dB/cm.     

多孔硅通道型光波导的制备及传输损耗的测量

利用多孔硅在阳极腐蚀过程中外加的光照度与孔隙率的对应关系,提出了一种利用光照控制多孔硅折射率的方法制备通道型光波导技术.对制备出的多孔硅波导损耗进行了分析.由于多孔硅波导层中孔状结使得波导端面较为粗糙,耦合损耗大是多孔硅光波导传输损耗测量中遇到的的问题,对此采用了一种非破坏性的简便的优化端面耦合传输损耗测量方法,可以实现入射光束与波导的完全耦合,消除了因光波与波导中导波模式间失配引起的损耗.较精确的测量出实验中制备的通道型多孔硅光波导的传输损耗为16.2dBcm,波导端面的散射损耗为3.6dB.     

减少聚合物阵列波导光栅损耗的蒸气回溶技术

阵列波导光栅(AWG)器件是波分复用(WDM)系统的一种关键器件,其中,聚合物阵列波导光栅由于其制备工艺、器件集成等方面的优势而受到人们的日益关注。侧壁散射损耗是聚合物阵列波导光栅损耗的一个主要因素,减少阵列波导光栅波导的侧壁损耗对制备低损耗阵列波导光栅具有重要意义。一种蒸气回溶技术被用来有效地减少硅基聚合物阵列波导光栅的散射损耗,该技术的机理是饱和溶剂分子融入并软化波导侧壁,增加其流动性,从而降低波导侧壁粗糙度。用扫描电镜方法验证了用该技术能获得更光滑的波导侧壁。对直波导和阵列波导光栅样品进行回溶处理,测试后得到直波导的侧壁散射损耗减少2.1 dB/cm,阵列波导光栅中心信道和周边信道的插入损耗分别减少5.5 dB和6.7 dB,串扰减少2.5 dB。     

用于光互连的聚硅氧烷波导弯曲损耗

研究了用于光互连的聚硅氧烷多模光波导直接弯曲时弯曲损耗与圆弧曲率半径的关系。用Marcuse的直波导近似法理论计算了其弯曲损耗,理论计算表明弯曲损耗随模阶数的增加而变大,随半径的减少而变大;光在波导中传输时,总弯曲损耗出现阶跃式变化,并且曲率半径大于4 mm时,波导的弯曲损耗小于1dB/cm。用BeamPROP仿真软件仿真了5、10、20mm三种曲率半径下的传输光场情况。利用数字化散射法测量了其弯曲损耗,实验结果显示曲率半径在5～6mm时弯曲损耗值在0.55～0.8dB/cm之间,考虑所制备的聚硅氧烷直波导固有的传输损耗,实验值与理论值基本相符。     

低损耗有机无机混合溶胶凝胶波导的实验研究

利用有机无机混合的溶胶凝胶方法在硅基底上制备波导薄膜.采用正硅酸四乙酯和苯基三乙氧基硅烷作为反应先驱物，利用旋涂的方法成膜，对其折射率，传输损耗以及条形波导的光刻、刻蚀特性进行了研究.测量了波导薄膜折射率随成分变化的关系.实验表明，该方法工艺简单，可以获得具有较低损耗的波导薄膜.测试得到632.8 nm波段的损耗系数为0.23 dB/cm.采用ICP刻蚀工艺获得了较为平整的条形波导.     

溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2平板光波导工艺研究

采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂-TiO₂平板光波导,计算了平板光波导通光条件,分析了硅/钛溶胶-凝胶材料的热性能,观测了平板光波导的结构形貌,并测试了其通光损耗。结果表明：经过200℃,30 min干燥处理的凝胶薄膜呈疏松多孔状态,对于非对称平板波导,存在芯层通光截止厚度,而且当SiO₂-TiO₂芯层厚度为0.5 μm时,SiO₂下包层厚度至少有6 μm才能防止1550 nm波长光泄露入单晶硅衬底中。制备的光波导对于1550 nm波长光传输损耗最小值为0.34 dB/cm。     

基于多模干涉的椭圆型十字波导的设计与仿真

设计了一种高效的、基于多模干涉(MMI)的椭圆型十字光波导,通过增加模式匹配器和调整自聚焦点位置,降低其传输损耗。COMSOL仿真表明该波导在1550nm波长处的透射率高达96.5%,串扰损耗小于2×10-5,而传统的椭圆型十字波导的透射率仅为91.2%。并且对椭圆型MMI的成像规律进行了理论分析和仿真验证,结果表明这种新型椭圆型结构不但在1550nm处表现出高效性,对整个1500~1600nm的通信波段都具有非常低的损耗(小于0.2dB)和串扰(小于-42dB)。这种十字光波导尺寸小、结构简单,只需要在硅上绝缘体(SOI)基底材料上融刻一次即可实现,制备工艺简单,有利于节约成本和批量生产,广泛适用于未来的集成光路。     

硅波导受激喇曼散射放大信号光的数值模拟

提出了用连续泵浦光在硅波导中的受激喇曼散射对信号光进行放大的方法.建立了信号光和泵浦光在硅波导中传输的耦合方程,得到了计算信号光增益的理论模型.利用数值模拟结果,对泵浦功率沿波导的分布,信号光在不同波导长度以及输入功率情况下的增益等进行了分析和讨论.结果表明,适当增加波导长度和泵浦光功率可以得到较高喇曼增益的结论.     

聚硅氧烷改性及多模光波导制备

采用含氢聚硅氧烷(HPSO)和二乙烯基苯(DVB)的交联体掺入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,使改性的聚二甲基硅氧烷(M-PDMS)折射率发生1%～1.8%的改变。M-PDMS及PDMS薄膜具有良好的光透射率和低的传输损耗,是低成本制备用于高速芯片间光互连聚合物光波导的理想材料。采用软成型和图案转移法,用M-PDMS及PDMS分别作波导的芯层和包层制备了截面为50μm×50μm,长度大于20cm的聚硅氧烷多模光波导。用数字化散射法测量了所制备波导的传输损耗,测得输入光波长为633nm时平均传输损耗为0.137dB/cm。     

新型杂萘联苯型聚芳醚砜硐聚合物光子材料成膜和光学特性

对新型聚合物光子材料杂萘联苯型聚芳醚砜硐(PPESK)波导薄膜的成膜工艺进行了系统的研究。分析了溶剂吸水性对成膜质量的影响,并通过氮气保护的方法获得了具有良好均一性的波导薄膜,其厚度一致性可优于1%,折射率一致性优于0.03%。采用棱镜耦合技术测量分析了PPESK波导薄膜的折射率、双折射、热光系数等光学特性,测量得到该材料在1310 nm波长处的损耗小于0.24 dB/cm,在1550 nm波长处的损耗小于0.52 dB/cm,表明该材料是一类性能良好的聚合物光子材料。     

SOI纳米光波导激光熔凝光整加工温度场的数值模拟及分析北大核心CSCD

激光表面熔凝技术可有效降低纳米光波导侧壁粗糙度进而减小光传输的散射损耗。为明确波导侧壁在KrF准分子激光表面熔凝过程的温度场演化规律,考虑材料参数随温度变化和相变潜热的影响,建立了纳米光波导侧壁激光熔凝的二维有限元数值模型,研究了熔池边界的推进行为与不同工艺参数的映射关系。结果表明:熔池形成于波导上表面与迎光侧壁夹角处;激光入射角度一定时,熔池熔深与平均能量密度正相关;熔池形貌受控于激光入射角度,随着入射角度的减小,熔池形貌由单边U形过渡为单边V形最终呈带钝角单边V形。分析表明,较大激光入射角对应的熔池形貌更有利于波导侧壁的光整加工;据此提出先确定激光入射角度以优化熔池形貌,再选取合适平均能量密度以获得足够熔化深度的工艺方法。     

数码照相法测量离子交换平面光波导损耗特性

利用数码相机对离子交换平面玻璃光波导传输线进行数字成像,根据传输线上的光强分布拟合出光强传输衰减曲线,计算出波导的传输损耗.对光波导进行退火处理,研究了波导退火前后的传输损耗特性.退火后0阶模式下传输损耗由2.148 9 dB·cm-1降为0.746 0 dB·cm-1.结果表明,波导的传输损耗是随着模阶数的增加而递增,适当的退火处理明显改善了离子交换波导的质量.     

K-Na离子交换单模平面波导的制备及其表征

通过K-Na离子交换技术制备了多模玻璃平面波导.采用棱镜耦合技术测量了波导的有效折射率,用IWKB方法拟合得到K-Na离子交换波导的折射率分布符合高斯分布,由色散曲线得到单模波导的制备条件(即扩散深度范围),从而得出单模波导的离子交换时间范围,制备出单模波导,并通过求解WKB色散方程得出单模波导的表面折射率.用普通数码相机,通过对离子交换平面玻璃光波导传输线进行数字成像,根据传输线上的光强分布拟合出光强传输衰减曲线,计算出单模波导的传输损耗大约为0.4 dB/cm.     

飞秒激光在掺Nd3+光热敏折变玻璃中写入光波导

利用中心波长1 028nm、重复频率50kHz、脉冲宽度220fs的超短脉冲激光在掺Nd~(3+)光热敏折变玻璃中刻写双线型和压低包层管状波导.研究了激光功率、波导双线间距、管状波导直径对近场模式的影响,得到了两组导光模式较优的波导.利用波导的近场模式强度分布重构了其折射率分布图,得到两类波导最大的折射率增加量分别为+7.0×10~(-4)和+5.5×10~(-4).利用散射法测得双线型波导的传输损耗为1.29dB/cm;通过测量插入损耗得到压低包层管状波导的传输损耗小于1.95dB/cm.利用飞秒激光在掺Nd~(3+)光热敏折变玻璃中直接写入光波导,在集成光学器件上具有广阔的应用前景.     

面向光印刷电路板的聚合物光波导制备及性能研究

选用紫外固化型环氧树脂,采用光刻技术在FR-4基板上制备了平行排布的多模聚合物光波导。波导具有阶跃折射率分布,相邻波导间隔为250μm,可与并带后的50μm芯径多模光纤实现多通道低损耗耦合。通过搭建测试平台,对波导的插入损耗、串扰及错位容限进行了测量与分析。实验结果表明,所制备光波导的损耗小于0.05dB/cm,串扰小于-60dB。波导在错位容限方面性能良好,当输入端错位±5μm时,系统增加的插入损耗小于0.2dB。同时根据实际波导建立仿真模型,采用光束传播法分析了不同入射条件下的模式能量分布、差分模式延时及耦合效率。计算结果表明,使用与波导具有相近纤芯尺寸的入射光纤不仅可以减小耦合损耗和串扰,还能减少激发起的高阶模式数,提高波导的距离带宽积,优化光波导的综合传输性能。所制备的聚合物光波导作为组成光印刷电路板的核心光器件具有良好的应用前景。     

自由载流子吸收损耗控制研究

利用数值方法研究了SOI脊形光波导损耗问题,重点讨论了PIN结构对自由载流子损耗控制的影响情况。研究表明SOI脊形波导在引入PIN结构后,偏置电压、入射光强和本征区宽度是影响自由载流子吸收损耗的主要因素,通过调整PIN结所加偏置电压、入射光强和本征区宽度,可以实现对脊形波导自由载流子吸收损耗的控制。计算结果可为硅基光调制器和拉曼激光器的设计制备提供一定的参考依据。     

制备多模聚硅氧烷光波导关键技术的改进

本文利用浇铸法,使用M&N胶和OE6450两种聚硅氧烷制备光波导.通过改进制备光波导的多个关键技术, 解决了波导制备过程中的气泡问题、脱模问题、芯层不固化问题、芯层和覆盖层产生化学反应等难题,提出了 比较完备和科学的聚硅氧烷波导制备工艺流程,从而使得波导的制备成品率从原来低于40%提高到高于80%, 波导的最大长度从原来的21 cm增加到22.5 cm,波导的损耗(截断法测量结果)从最初的0.3dB/cm(850 nm)降低到了 0.21dB/cm(850nm).本文在波导制备技术方面具有重要的实际意义和价值.     

掺铒聚合物狭缝波导放大器的增益特性研究

设计了一种高浓度稀土铒掺杂聚合物填充硅狭缝结构的平面光波导放大器（工作波长1 550 nm,泵浦波长1 480 nm）,能够在低泵浦下获得高增益,可以应用于硅基光互联的损耗补偿。通过扫描电镜照片观察发现,合成的铒掺杂聚合物材料具有良好的纳米狭缝填充能力。考虑铒离子的合作上转换和激发态吸收,利用铒离子四能级跃迁模型,建立原子速率方程和光功率传输方程,数值仿真分析了聚合物光学性质、狭缝波导结构参数及信号光泵浦光功率等放大器增益特性的影响因素。这种具有纳米截面尺寸的光波导放大器,获得4.5 dB的信号光相对增益仅需要1.5 mW的泵浦光,展现了良好的集成光学应用前景。为了进一步提高增益,引入了多层狭缝结构,四层狭缝波导的重叠积分因子比一层狭缝的高42%。     

硅-有机物材料混合电光调制器的优化设计

设计了一种基于绝缘上层硅的硅-有机物材料混合马赫-曾德干涉型高速电光调制器.利用光束传播法对顶层硅为220nm的绝缘上层硅基片上的3dB分束器/合束器的结构参数进行模拟,优化后附加损耗仅为0.106dB.为提高模式转换效率,在条形波导和slot波导之间设计了模式转换器,光耦合效率高达98.8%,实现了光模式高效转化.利用时域有限差分法模拟了slot波导平板区掺杂浓度对波导内光学损耗的影响,在几乎不产生光学损耗的情况下,得到平板区轻掺杂浓度为71017/cm3,调制器设计总损耗为0.493dB.利用薄膜模式匹配法对slot波导结构进行仿真分析,考虑slot区等效电容及平板区等效电阻对带宽的影响,优化后得到slot波导结构的限制因子为0.199.采用slot波导与强非线性有机材料LXM1结合的绝缘上层硅平台实现了强普克尔效应,得到电光调制器半波电压长度积为1.544V·mm,电学响应3dB带宽为137GHz.