三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件

提出了一种三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件,该器件由单层石墨烯覆盖的一维光子晶体纳米梁腔电光调制模块和纳米线波导模分复用模块组成。利用三维时域有限差分法进行仿真分析,结果表明,该器件可以同时实现TE₀模、TE₁模和TE₂模的调制和模分复用功能。当波长为1 570 nm时,消光比大于28.3 dB,插入损耗小于0.21 dB,信道串扰小于-28.6 dB,调制器的3 dB带宽达到100 GHz,器件尺寸约为100μm×13μm。该集成器件性能优良,在大容量光通信系统中具有重要的应用价值。     

基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型模式转换器

亚波长光栅可以等效为均匀介质,具备可控的双折射、色散和各向异性等优势,有利于设计高性能的光子器件.尽管目前传统的亚波长光栅结构只需要单步刻蚀,然而通常需要100 nm及以下的制造分辨率,这对当前主流的晶圆级硅光子芯片制造技术来说比较困难.亚波长光栅的各向异性可以通过引入砖砌型拓扑结构来进一步设计,从而在设计中提供额外的自由度,同时还可以降低制造分辨率需求(> 100 nm).本文提出并研究了基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型TE₀-TE₁和TE₀-TE₂模式转换器,其中砖砌型亚波长光栅的最小特征,尺寸为145nm.实现了TE₀模式到TE₁模式和TE₂模式的转换,转换区域长度分别为9.39μm和11.27μm.测试结果表明,在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器调谐范围和光栅耦合器)带宽内,插损和串扰分别小于2.5 dB和-10 dB.     

基于锥形渐变不对称耦合的模式复用/解复用器

设计了一种采用锥形渐变不对称耦合结构的模式复用/解复用器,并利用商用的0.18μm互补金属氧化物半导体兼容工艺进行制备.通过控制锥形波导的宽度,基于模式有效折射率匹配原则,实现锥形波导中的基模与多模波导中的高阶模式相互转化.测试结果表明:当器件用于TE0、TE1和TE2三个模式复用与解复用时,在1 530nm到1 570nm波长范围内,串扰低于-8.05dB;而当器件复用与解复用TE0和TE2时,串扰低于-16.43dB.     

基于硅基二氧化硅阵列波导光栅宽带低串扰单纤三向器

采用硅基二氧化硅阵列波导光栅设计并制作了宽带低串扰单纤三向器.为使三个波长间隔相差较大的输出谱获得相同的带宽,在输出波导与罗兰圆交界采用了不同结构的多模干涉器.二维有限差分束传播法的模拟结果表明,理论上1310nm、1490nm和1550nm波长的3dB带宽分别达到23nm、23.5nm和25nm,插入损耗均为4dB,1310nm波长的串扰小于-40dB,1490nm与1550nm波长间串扰小于-40dB;采用宽带光源测试结果表明,1550nm波长的3dB带宽为23nm,采用三个独立窄带光源测试结果表明,三个波长的插入损耗均为7dB,1310nm波长的串扰小于-40dB,1490nm与1550nm波长间的串扰小于-39dB,测试与模拟结果基本一致.     

基于马赫-曾德尔干涉仪的1×8硅基热光开关

设计并制备了一种基于树形结构的1×8硅基热光开关,该热光开关由1个2×2和6个1×2马赫-曾德尔干涉仪的基本单元结构组成。该1×8硅基热光开关采用与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制造。通过氮化钛加热器来改变波导的温度,利用硅的热光效应实现光开关功能。实验结果表明：在1550 nm工作波长下,该热光开关的平均片上插入损耗约为1.1 dB;所有输出端口的串扰都小于-23.6 dB;开关响应时间小于60μs。     

基于MZI结构的二氧化硅波导模式选择开关

设计并且制备了一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的二氧化硅波导模式选择开关。该器件由不对称定向耦合器及金属电极组成。通过金属电极产生的热场改变单模波导中的模式相位,实现了单模波导中E₀₀模式向多模波导中E₁₀模式的转换。器件采用标准CMOS工艺制备,在调制臂两侧引入空气槽,提高热场调制效率,降低开关功耗。实验结果表明,当输入E₀₀模式时,输出端的串扰小于-17.13 dB,消光比大于16.7 dB;当输入E₁₀模式时,输出端的串扰小于-19.84 dB,消光比大于22.5 dB。模式开关的上升时间和下降时间分别为0.7 ms和1 ms。该模式选择开关在模分复用系统中具有良好的应用前景。     

一种沟槽辅助气孔隔离的低串扰高密度异质多芯少模光纤

以单模光纤为基础的传统光通信系统的容量已趋近其理论极限,多芯少模光纤是突破现有传输容量瓶颈的一种有效方式.本文设计了一种低串扰5-LP模的弱耦合异质芯7芯光纤,采用沟槽辅助和气孔隔离相结合的方法,在标准125μm外径的情况下实现了芯间和模间的低串扰.利用有限元法计算了纤芯之间的串扰、有效模面积等.经过设计优化,光纤在光通信C+L波段可以稳定传输5个LP模式,其中LP₂₁与LP₀₂模之间的有效折射率差最小,且大于1.1×10^–3;光纤中LP₃₁模式的芯间串扰最大且低于–50 dB/km,因此该光纤可以同时实现模间和芯间的低串扰传输. 7个纤芯中5个LP模的有效模面积均大于86μm~2,在波长1550 nm处相对纤芯复用因子为57.63,该光纤可用于大容量高速光纤传输系统.     

光子灯笼模分复用系统MIMO-free高速传输实验

为考察无需多输入多输出模分复用系统的高速信号传输能力,采用模式选择光子灯笼型模式复用/解复用器构建了2×100 Gb/s双偏振正交相移键控模分复用通信实验系统,系统中用到的少模偏振控制器状态可由LP₀₁和LP_11b两个模式信道的信串比参数准确表征。测试了系统误码率与信串比关系,实现两个信道纠后无误码传输的条件为信串比约大于8 dB。当两个信道的信串比分别为14.25 dB和13.81 dB时,与背对背收发系统相比,纠后无误码阈值(10^-2)的接收光功率代价分别为1.40 dB和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响,估算了串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离约为30 km。     

基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器

设计了一种基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器,该器件由波分解复用(WDM)和模分解复用(MDM)两部分组成。其中,波分解复用部分由两个一维光子晶体纳米梁腔构成,模分解复用部分采用硅基纳米线波导结构。利用三维时域有限差分法,计算分析了该混合解复用器的性能参数。结果表明,该器件可以在波长1570.0 nm和1573.2 nm处实现基模(TE_0)和一阶模(TE_1)四个信道的解复用功能,插入损耗小于0.37 dB,信道串扰小于-18.4 dB,自由光谱范围可以达到400 nm。该混合解复用器可以应用于模分-粗波分复用系统中。     

硅基槽式纳米线多模干涉型模阶数转换器全矢量分析

提出了一种基于硅基槽式纳米线结构的紧凑式1×2多模干涉器型模阶数转换器,其中输入/输出通道为槽式直波导,经线性锥形过渡器连接居于中心的二次锥形槽式多模波导.采用全矢量频域有限差分法详细分析了垂直槽波导的模式特性,选取电场主分量E_y得到增强的quasi-TM模作为转换器的光信号模式.对比分析了矩形结构与二次锥形结构中的周期自镜像效应,发现二次锥形结构尺寸更短、损耗更低的特点.根据自镜像效应中一阶模成像位置设计多模干涉区域长度,经线性锥形过渡器从较宽输出端口输出一阶模,从较窄输出端口输出基模,从而实现模阶数转换功能.采用三维有限时域差分法详细分析了该转换器的光波传输特性,详细讨论了器件关键结构参数的制作容差.参数优化结果表明,该转换器的多模干涉区域的尺寸为3×5μm~2时,在1.55μm工作波长下,quasi-TM基模在输出quasi-TM一阶模端口的插入损耗约为0.35 dB,输出波导间的串扰约为-16.9 dB.另外,给出了输入模场主分量在器件中的传输演变情况.     

聚合物微环谐振波分复用器传输特性的理论分析

根据耦合模理论,给出了1×N信道微环谐振波分复用器(MRRWM)的光强传递函数通用公式,并分析了微环谐振波分复用器的传输特性。利用参量优化结果,在中心工作波长约为 1.55μm、波长间隔约 5.6 nm的情况下,对1×8信道硅基聚合物微环谐振波分复用器进行了数值模拟。计算结果表明,该器件具有以下优良的性能:分波光谱准确,自由光谱区约为18 nm,对于半径10μm以上的微环弯曲损耗很小,且器件的插入损耗主要由波导的传输损耗决定,振幅耦合比率为0.2时对应的每条竖直输出信道的插入损耗在0.57 dB以下,信道间的串扰小于-18.5 dB,输出谐振峰3 dB带宽可达0.25 nm,最小背景光的强度约为3.8×10-4。     

基于碲酸盐的新型单芯光子晶体光纤偏振分束器

提出了一种基于ZnTe碲酸盐玻璃的单芯光子晶体光纤偏振分束器.在外侧包层纤芯对称位置引入缺陷孔,使缺陷模和纤芯基模发生耦合以实现光束分离.采用全矢量有限元法对所提出的单芯光子晶体光纤偏振分束器的特性进行研究,结果表明:该分束器可以实现1.3μm和1.55μm波长光的分离,并使光束沿X和Y偏振方向同时传播;当光纤长度为15mm时,1.3μm和1.55μm处的串扰值分别低至-45.1dB和-40.2dB,小于-20dB的带宽分别为44.2nm和67.1nm;在传输波长1.3μm和1.55μm处的损耗值为0.063dB和0.048dB;偏振分束器在具有低串扰值的同时,具有较低的限制损耗.     

基于硅基槽波导的单纤三向滤波器的研究

设计了基于硅基槽波导的微环谐振型单纤三向滤波器。基于电磁场理论得到了二维情形下的硅基槽波导的模场及有效折射率随波长的变化关系,在此基础上,利用硅基槽微环谐振腔谐振波长与微环半径的关系,优化得到了可将1490nm和1550nm两个下载波长分开的谐振环半径,并同时将1310nm波长上传,三个波长信号从不同端口输出,成功地实现了三向器滤波功能。利用传递函数法模拟了所设计的硅基槽微环谐振型三向滤波器的输出光谱,结果显示其串扰可低至-16.9dB。     

基于锥形渐变耦合结构的可扩展多模弯曲波导EI北大核心CSCD

提出了一种基于锥形渐变耦合结构的可扩展多模弯曲波导。该器件利用模式等效折射率匹配原理,通过对称的锥形渐变耦合结构,实现高阶模式与基模的相互转化,完成多模弯曲传输功能。同时,结合时域有限差分方法和粒子群优化算法,优化锥形渐变耦合结构区域,提升器件性能。实验测试结果表明,在1520~1600 nm的波长范围内,当输入模式分别为TE_0、TE_1、TE_2、TE_(3)和TE_(4)时,该器件的插入损耗分别小于1.71 dB、3.04 dB、2.90 dB、3.16 dB和4.00 dB,对应的串扰分别小于-10.60 dB、-11.35 dB、-10.92 dB、-10.35 dB和-11.45 dB。     

圆波导TE01模激励器设计及实验研究

对比分析了几种可输出圆波导TE₀₁模激励器的仿真设计结果。结果表明,利用行波功分结构实现矩形波导TE₁₀模到4路矩形波导TE₁₀模的等幅同相功分,进而合成转换成圆波导TE₀₁模的转换过程,可在较宽的频带范围内,实现圆波导TE₀₁模的高效激励。以中心频率9.40 GHz仿真设计的圆波导TE₀₁模激励器,在中心频率上的传输效率超过99.9%;在9.08~9.61 GHz的频率范围内,传输效率大于99%。实验测量结果表明,所加工激励器在较宽的频带范围内,传输损耗优于-0.2 dB,与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构;器件工作频带内平坦特性良好,有利于开展测量工作。     

支撑光网络发展的硅基光电子技术研究

作为大规模集成电路和化合物半导体光电子器件的制造技术共同构成的一门高新技术 ,硅基光电子技术越来越受到重视 .文章着重介绍中国科学院半导体研究所外延生长SiGe/Si量子结构和Si基器件研究的结果 :采用自行设计的UHV/CVD系统 ,成功地生长出Ⅱ型SiGe/Si量子阱和量子点 ,直到 2 5 0K仍能观察到自组织生长Ge/Si(0 0 1 )量子点的发光峰 ;研制成功SiGe/Si谐振腔增强型光电二极管 (RCEPD)、Y分支MZI光调制器和多模干涉 -马赫 -曾德干涉型光开关等Si基光电子器件 ;1 .3μm处RCEPD的量子效率达到 4 .2 % ,- 5V偏压下暗电流密度 1 2 pA/ μm2 ;2× 2热光型光开关的响应时间小于 2 0 μs,两输出端关态串扰为 - 2 2dB ,通态串扰为 - 1 2dB .     

W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。     

基于波导模式变换的圆波导TE62模式激励器的研究

基于不规则波导模式匹配法以及缓变波导中电磁波模式耦合理论,研究了一种W波段圆波导TE₆₂模式激励器. 该波导模式激励器采用矩形波导TE₁₀模式通过侧壁耦合馈入同轴波导,利用同轴波导的选模特性激励TE₆₁模式;随后利用轴向半径周期微扰的圆波导实现TE₆₁–TE₆₂模式变换. 文中推导了矩形-同轴波导模式匹配理论,系统研究了波导结构缓变参数对模式变换效率的影响,完成了模式变换器的优化仿真设计,数值计算结果表明：中心频率处TE₆₂模式的转换效率为94.5%,纯度为98.16%,效率85%以上带宽达到1 GHz,能够满足回旋管冷测的要求. 关键词： 同轴波导 模式变换 耦合模理论 半径微扰     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

聚合物定向耦合电光开关的模拟和优化

阐述了定向耦合电光开关的基本结构及工作原理,利用耦合模理论和电光调制理论,在1 550 nm波长下,对器件的结构参量进行了优化,并对其传输光谱、开关电压、插入损耗、串扰等特性进行了分析.模拟过程中,考虑了因金属电极和聚合物材料引起的模式损耗.器件的结构参量优化值为：波导芯截面尺寸为1.7×1.7 μm2,波导芯与电极间的限制层厚度为1.5 μm、电极厚度为0.15 μm,波导间的耦合间距为2.0 μm,相应的耦合长度为2 926 μm.模拟结果表明,本文所设计的器件在开关转换电压0和17.4 V下,在1 534到1 565 nm的波长范围内,器件的插入损耗小于0.16 dB,串扰小于－20 dB,耦合区在2 734~3 120 μm范围内,器件的插入损耗小于0.22 dB,串扰小于－20 dB.