硅基模式相關器件及其在多維復用系統(tǒng)中的應用.pdf

1、隨著人們對通信速度和容量需求的高速增長，光通信技術以其高速率，大容量，低功耗的優(yōu)勢形成了蓬勃發(fā)展的局面。為了追求更大的傳輸容量和帶寬，多種復用技術如波分復用（WDM）、時分復用（TDM）、偏振復用（PDM）、空分復用（SDM）等，被學術界和產(chǎn)業(yè)界廣泛研究，其中WDM技術作為最成熟的復用技術，已經(jīng)廣泛應用于商用光網(wǎng)絡中，而同時采用多種復用技術來進一步提升通信容量的多維復用系統(tǒng)也成為研究的熱點。另一方面，為減小器件尺寸、降低成本、減小功耗，

2、硅基光子集成技術被普遍認為是下一代光通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向。所以，利用硅基光子集成芯片實現(xiàn)多維復用系統(tǒng)以及其相關控制、路由等高級功能對高速光通信系統(tǒng)的發(fā)展有著重大的意義。
　　本論文首先對模式轉換涉及到的機理及理論模型進行了分析，設計制作了不同類型的硅基模式轉換/復用器件。在此基礎上，開發(fā)了多種應用于模式復用及多維復用系統(tǒng)中的功能性器件，并對其在發(fā)射、交換路由、接收等方面的應用進行了系統(tǒng)深入的研究。本論文的主要內容有以下幾個方面：

3、r>　?。?）研究了三種基于絕緣體上硅（SOI）平臺的片上模式轉換/復用器件，分別采用級聯(lián)多模干涉耦合器（MMI）加相移器結構、非對稱定向耦合器結構以及微環(huán)諧振器結構。提出了一種改進型高性能模式復用器，在提高轉換效率的同時，大大降低模式串擾。這部分內容為后續(xù)模式復用及其應用于多維復用系統(tǒng)的研究打下了堅實的基礎。
　?。?）設計制作了偏振可控制的片上模式轉換器，該器件由二維光子晶體光柵與微環(huán)諧振器型模式轉換器構成。單模光纖中的信號進

4、入芯片，通過控制進入芯片的信號偏振態(tài)，可以在輸出的少模光纖中選擇性地得到需要的模式。同時研究了二維光子晶體光柵與少模光纖的耦合問題，對結合光纖和芯片的模式復用技術有重要的參考意義。最后對實際制作的器件進行了詳細的測試，紅外電荷耦合元件（CCD）從少模光纖中觀測的模斑充分證實了器件的功能。并對該器件進行了四波長 WDM40Gb/s非歸零-開關鍵控（NRZ-OOK）信號的傳輸實驗，得到了良好的眼圖和誤碼結果。
　?。?）提出了帶解調開

5、關功能的片上模式復用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于長距離光纖通信系統(tǒng)與短距離片上通信系統(tǒng)的光互連中。其中模式復用部分采用微環(huán)諧振器型模式轉換/復用器件，設計優(yōu)化了微環(huán)結構和參數(shù)，從而得到實現(xiàn)解調功能所需的頻譜特性。其動態(tài)解調功能可通過熱光效應來實現(xiàn)，對熱調部分也提供了建模仿真。最后對制作的器件進行了詳細的測試，器件的損耗、串擾、頻譜特性都給出了定量的結果。目前展示的器件能復用三個模式和四個波長，未來在模式數(shù)目以及波長數(shù)目上仍具有拓展性。
　　

6、（4）提出了適用于模式復用系統(tǒng)的片上數(shù)據(jù)交換芯片，可用于實現(xiàn)模式復用網(wǎng)絡中的路由和交換等高級功能，同時該芯片與成熟的WDM技術兼容，可用于WDM-MDM的多維復用系統(tǒng)中。其中模式互換部分由兩個微環(huán)諧振器型模式轉換/復用器件構成，中間采用絕熱錐形耦合器連接，以確保模式的無損無串擾變換。對制作的器件分別進行了單波長和四波長信號的傳輸實驗，測試得到的眼圖和誤碼曲線證實了器件的功能，并表征了優(yōu)良的性能。
　?。?）首次提出了偏振復用-模式

7、復用轉換器的概念，在 SOI平臺上結合二維光子晶體光柵結構以及級聯(lián)MMI型模式轉換/復用器實現(xiàn)了光纖中的偏振復用信號到片上模式復用信號的轉換。其中通過引入分布式布拉格反射型（DBR）光柵結構減小了二維光子晶體光柵的損耗，用反蝴蝶型結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蝴蝶型相移器結構提升了相移器的工藝容差，這些優(yōu)化對器件的實際制作和性能提升有重要意義。測試中對制作的器件進行了40 Gb/s NRZ-OOK信號的傳輸實驗，測試得到的眼圖和誤碼曲線充分證明了器件的