一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

阵列波导光栅解复用器输入/输出波导结构串扰的数值分析

本论文采用Marcatili方法分析矩形波导的模场特性,在此基础上计算了AWG波分复用/解复用器串扰与输入/输出波导间隙参数(dr/w),波导结构参数V的变化关系.计算了串扰值一定时,选取V参数与dr/w的关系曲线.分析了在不同折射率差波导中,串扰与偏振的相关性,为器件的整体优化设计提供了参考数据.     

InP阵列波导光栅的误差分析

在InP阵列波导光栅的制作过程中会引入不同的误差,从而影响器件的性能.为了最大限度地控制误差,提高半导体器件性能,本文采用传输函数法对InP基阵列波导光栅的系统误差和随机误差分别进行了分析.从系统误差的模拟结果中可以得到如下结论:深脊型波导的有效折射率n_c平均每偏移+0.000 1,中心波长偏移+0.05nm.相邻阵列波导长度差ΔL每偏移+0.01 μm,中心波长将偏移+0.44 nm.n_c和ΔL仅仅会影响到传输谱中心通道及其他各通道对应的波长,使得传输谱发生整体漂移,而信道间隔及串扰不会改变.罗兰圆半径R偏移不会影响器件的中心通道对应的波长,但会使其它通道对应的波长发生变化,最终使得信道间隔改变,R增加50 μm,信道间隔减小0.03 nm.从随机误差模拟结果中,得出:波导芯区折射率、上包层折射率、衬底折射率、波导宽度和波导芯层厚度的随机波动会对阵列波导光栅的串扰产生较大的影响.根据以上分析,可以通过控制不同参量来调节器件的中心波长以及信道间隔等来优化阵列波导光栅的光学性能.     

不同结构SOI交叉波导的损耗及串扰特性研究

利用高阶Pade近似的2D-BPM算法,对具有不同弯曲半径及交叉角度的SOI弯曲交叉波导的传输特性进行了模拟、分析和深入研究,发现交叉波导的串扰随弯曲半径及交叉角度增大而减小的规律.在此基础上,对由正弦弯曲、余弦弯曲以及圆弧弯曲三种弯曲波导构成的SOI交叉波导的损耗及串扰特性进行了分析比较.结果表明,由正弦弯曲构成的交叉波导传输损耗最小且串扰最小.     

转移矩阵法在负折射率介质材料平板波导中的应用研究

利用严格电磁理论,推导出了适用于负折射率介质材料光波导的转移矩阵,分析讨论了转移矩阵的性质和应用.利用转移矩阵方法,推导出导波层为负折射率介质材料、覆盖层和衬底为右手材料的三层对称介质光波导的本征色散方程.用图解法研究了负折射率介质波导中TE波的异常色散特性.在负折射材料介质波导中没有零阶模,最低阶为1阶模,并且有截止频率,只有波导参量满足一定条件的时候才会存在,导模的横向波数可以为实数和纯虚数,而正折射率介质波导导模的横向波数只能为实数.     

小尺寸低折射率差硅基二氧化硅阵列波导光栅

随着AWG型器件在光通信系统中的大规模应用,对低成本AWG芯片的需求越来越多。在各种降成本方案中,减小AWG芯片的尺寸是最有效的方法之一。本文介绍了一种新型小尺寸低折射率差硅基二氧化硅阵列波导光栅（AWG）的设计。在该AWG中,输入波导/输出波导与平板波导连接的部分制作成两侧为空气槽的高折射率差波导,所以在与输出平板波导连接处的相邻输出波导间距较小,这样可以在设计上缩短平板波导的长度、减少阵列波导的数量,实现较小的AWG芯片尺寸。该AWG的其它部分,如输入/输出波导与光纤耦合的部分、阵列波导光栅等均采用常规的低折射率波导工艺,所以就同时具有与常规的低折射率波导AWG相同的优点：如低耦合损耗、较好的串扰以及光学特性等。根据这个原理,设计了一种40通道100 GHz频率间隔的低折射率差硅基二氧化硅AWG,其芯片尺寸只有23.88 mm?10.5 mm,是传统相同材料制作的AWG尺寸的1/6。     

用级联缓变结构实现光子晶体波导和传统波导的耦合

为了提高光子晶体波导与传统介质波导的耦合效率,设计了级联缓变结构.先将传统介质波导中的光耦合进尺寸相当的光子晶体W5波导中,然后W5波导中的光被耦合进尺寸较小些的W3波导中,最后光被耦合进尺寸最小的W1波导.各级波导之间由半径逐渐增大的空气孔连接,空气孔半径逐渐变化相当于波导有效折射率在变化,所以各级波导可以看作是被折射率缓变结构连接起来.由于折射率的缓变,使得光从前一级波导耦合进相邻的后一级波导时反射很小,从而能有效地提高耦合效率.数值计算表明,在光子晶体禁带范围内,除了波导有限长度和波导微小禁带造成的微小不通带外,耦合系数一般能达80%左右,最高可达到95%.     

AWG结构的优化设计

通过分析AWG中心波导倾角特性,优化焦点间距,提出了两个结构约束方程,得出了结构紧凑的AWG设计方法.根据这一方法,可以由一定损耗条件下的最小弯曲半径和接口参数—接口处输入/输出波导间距和最短直波导长度,优化并完全确定其它结构参数,从而得到最小面积的AWG波导结构.最后给出了优化设计实例.     

光纤通信

TN915.05 2004064421 马赫-曾德干涉型波分复用器的容差分析=Tolerance analyses of the Mach-Zehnder interferometric demutiplexer[刊,中]/夏君磊(中科院半导体所光电子研究发展中心.北京(100083)),郜定山…∥光电子·激光.—2004,15(6).—645-648 通过耦合模理论分析了马赫-曾德干涉(MZI)型波分复用器各结构参数工艺误差对器件串扰的影响,比较了各结构参数的工艺容差性。结果表明。如果串扰要求在—30dB以下,则波导臂长差的容差性为1％,耦合长度的容差性为2％,波导宽度的容差性较好;容差达到0.6μm时,串扰仍然在—58dB;波导间距对工艺精度要求最高,     

O波段8通道硅基二氧化硅平坦化阵列波导光栅的设计及制备

设计并制作了一款应用于IEEE 200/400GbE标准802.3bs的阵列波导光栅.该阵列波导光栅使用2.0%的超高折射率差硅基二氧化硅材料,使得芯片尺寸及损耗较小.为了获得平坦化的接收光谱,将输出波导进行展宽,采用多模波导结构,激发若干个高阶模,数个模式叠加使得原本高斯状的光谱顶部产生平坦化,形成箱形接收光谱.设计的阵列波导光栅的中心波长为1 291.10nm,通道间隔为800GHz,芯片尺寸为11mm×4mm.经过等离子增强化学气相沉积和感应耦合等离子刻蚀工艺制备了芯片,测试结果表明最小的插入损耗为-3.3dB,相邻通道间串扰小于-20dB,单通道1dB带宽在2.12~3.06nm范围,实现了良好的解复用和平坦化效果,在实际光通信系统中有一定的实用价值.     

A concise design of 16 × 16 polymer AWG with low insertion loss and crosstalk

In this paper, a 16-channel arrayed waveguide grating multiplexer (AWG) has been designed using polymer materials with 1.5% refractive index difference. Certain important parameters are optimized using the coupling mode theory and Beam Propagation Method. The factors that affect the insertion loss and the crosstalk are analyzed in this paper. In our design we introduced the parabolic taper structure and evaluated the suitable number of the arrayed waveguide, obtaining a total insertion loss of 2.19 dB. For obtaining a low crosstalk we evaluate the pitches of adjacent input/output waveguides ΔX and arrayed waveguides d as different values. We chose the value of ΔX about 2.5 times of d by enlarging the pitches of adjacent input/output waveguides. The crosstalk of the designed AWG is lower than −40 dB.     

Network analysis of eigenvalue problem for multilayer dielectric waveguide consisting of arbitrary number of layers

In this paper, the eigenvalue problem of a multilayer dielectric waveguide consisting of arbitrary number of layers is solved by the microwave network method. A general program with the function of computer graphics has been developed for analyzing the dispersion characteristics and the electromagnetic field distributions of an N layer dielectric waveguide. As examples of practical applications of the program, first, the dispersions and field patterns for the planar waveguides with refractive index of parabolic and exponential profiles are analyzed. Secondly, the procedure of mode conversion and mode separation in dielectric branching waveguides is vividly demonstrated through analyzing the field distributions of asymmetric multilayer dielectric structures and the general rules of mode conversion are discussed. The examples show that the present method possesses the advantages of versatility, rapidity, simplicity and accuracy.     

基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导

提出了一种基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导,通过两根紧邻的高折射率介质纳米线的耦合,该波导可以将光场有效束缚在纳米线之间的低折射率纳米缝隙中. 计算模拟的结果表明,该波导的有效模场面积达到Λ²₀/200,比单根纳米线波导小一个数量级,这种深亚波长的模场束缚能力可以与表面等离激元混合波导相比拟. 计算模拟的结果还表明,纳米线可能带有的低折射率氧化膜、低折射率衬底的存在、以及纳米线间尺寸存在的一定差异对于该波导结构的实际应用都不会产生很大 关键词： 介质波导 亚波长局域 表面等离激元波导 纳米线     

Dispersion parameters and nonlinear optical properties of silicon nitride rib waveguides

Silicon nitride rib waveguides are numerically studied by use of a full-vectorial mode solver program based on finite difference method. Dispersion parameters, up to the third-order, are computed for waveguides of heights 0.8 μm, 0.9 μm, and 1 μm. Like silicon-on-insulator waveguides, silicon nitride rib waveguides allow us to tailor dispersion parameters at telecom wavelengths. Deeply-etched silicon nitride rib waveguides of height up to 1.5 μm are investigated for correct geometries to achieve polarization independence. The computations lead to a minimum etch depth which can be written as linear function of the waveguide height. Etch-depth and waveguide height dependencies of the nonlinear refractive index coefficient of the silicon nitride are studied. It is shown that third-order optical nonlinearities in silicon nitride rib waveguides can be enhanced by suitable choices of waveguide parameters.     

MZ-MMI-based all-optical switch using nonlinear coupled waveguides

We propose an all-optical switch (AOS) based on Mach-Zehnder (MZ) and Multi-mode interference (MMI) using nonlinear closely coupled waveguides. The device operates by switching between two states of coupled waveguides. In first state the refractive index of waveguides are same and light field will completely couple to nonlinear waveguide in half length of coupler and will back in the second half. We will have π phase difference in this procedure and the input field will appear in Bar-state output. In the second state the refractive index of nonlinear waveguide increase with high intensity control field. In this case, we have lower coupling and change in phase. But, we choose the best refractive index change to obtain the phase change of multiple of 2π necessary for Cross-state in output. The beam propagation method is used to simulate the device operation.     

光波导折射率分布的数值计算法

介绍了光波导折射率分布的数值计算法，采用该方法，可由光波导输出端面的二维光强分布得到的其折射率差的二维分布和沿ｘ，ｙ方向的线分布，文中给出了Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３光波导沿垂直于基片表面方向的折射率差分布的测量结果。     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

混合表面等离子体激元的纳米激光器设计

为了实现纳米激光器的性能优化,设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能,从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下,分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律,通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明：该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低,其中归一化面积最小可达到0.004 8,有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明,该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。     

Transmission properties of asymmetric slab waveguides with left-handed materials

A new dielectric slab waveguide with a left-handed material (LHM) cover and substrate is proposed. The dispersion relations and normalized effective thickness of the asymmetric LHM slab waveguide are investigated, in view of the normalized parameters. A number of unusual properties are found, for example, the fundamental and first-order modes do not exist and higher-order modes have double degeneracy. The propagation modes are absent at the low normalized frequency, and the cutoff frequencies of some LHM slab waveguide modes decrease with increase in the asymmetry measure. Unlike traditional slab waveguides, the V –H curves of the LHM slab waveguides are in one-to-one correspondence. Both TE and TM modes are discussed; in addition, the dispersion relations and normalized effective thicknesses of the TM modes are discussed in detail, when the difference in refractive indices of the film and the substrate is small. The results show that the region of mode coexistence taking place near the cutoff frequency becomes narrower with increase in the difference in refractive indices of the film and the substrate. The influence of this difference on the normalized effective thickness curves is different, and becomes smaller and smaller with increase in the value of the asymmetry measure, if different values of the refractive indices are employed.