（光学工程专业论文）硅基SiOlt2gt新型光分束器的优化设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着光网络和光通信技术的不断发展，集成光学器件的应用日益广泛。集成 平面光波器件，特别是硅基光波导器件作为光通信系统中重要的组成部分，由于 其损耗小、与半导体工艺兼容等优点广泛应用于光通信系统。本文对y 分支功分器 的原理、特性、设计和模拟作了详细分析，并对器件改进设计，优化了其性能，作 出了较好的模拟。 本文首先介绍了光无源器件的应用和发展状况，对无源光功率分束器分类及 技术参数指标以及硅基平面光波导材料的基本情况作了详细的介绍。由于平面硅 基光波导制作工艺日益成熟，制造精度不断提高，使硅基s i o ：平面波导集成器件可 以做到低插入损耗、更紧凑的结构、低的封装成本、易于大批量生产以及易于同 光开关、探测器和其他有源器件单片集成等，具有大的市场空间。同时，对光器件 的模拟和设计方法从平面光波导的数值计算原理和平面光波导光束传播法( 傅立 叶变换束传播法，有限差分束传播法) 等方面作了详细的介绍。 此后，论文对y 分支功分器的工作原理、结构的优化设计和级联y 分支作了较 详细的说明。在此，我们又设计了改进的新型低损耗的y 分支功率分束器，改进后 的y 分支波导的分支耦合系数达到了9 6 2 ，分支耦合损耗0 0 4 5d b 。同时，又对 级联1 4 的分束器的输出均匀性进行了优化，优化后的结构输出不均匀度最大达 到0 0 2 d b 。 最后，为进一步改进和提高激模波导结构1x2 光分路器性能，提出了新型1 3 光分路器的结构设计，在输入端和输出端都作了优化改进，输入端的输入采用 直锥形波导来减小器件的尺寸，对三对称分支输出波导进行优化，采用余弦分支。 弯曲波导结构来降低弯曲损耗，在两余弦分支弯曲波导的输入端采用过渡锥形波 导来提高均匀度和容差性，对该分路器的有限差分光束传播法( f d b p m ) 数值模 拟仿真表现出比普通光分路器更好的性能。改进后的l x 3 分支波导的分支耦合损 江苏大学硕士学位论文 耗为0 0 4 1d b ，优化后的输出不均匀度最大仅达到0 0 1 5d b 。结果表明，该1 3 光分路器相对于普通的光分路器具有损耗低、均匀性好、器件尺寸小、结构简单、 易于制造和集成等优点。 关键词：平面集成波导器件，硅基s i o ：y 分支波导，有限差分光束传播法，1 3 分支波导，锥形波导，模式匹配，耦合损耗，输出均匀性，优化设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，t h e i n t e g r a t i o no p t i c a ld e v i c e si sa ni m p o r t a n tu n i t sa n dh a v eb e e nw i d e l yu s e d t oo p t i c a ln e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eo p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c e sb a s e do ns i l i c o nh a v eb e e nar e s e a r c h t o p i c i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nf i e l do w i n gt oi t sl o w - l o s sa n dh i 曲c o m p a t i b i l i t yw i t h s e m i c o n d u c t o rt e c h n i q u e s i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f y - b r a n c hw a v e g u i d ea r ea n a l y z e d ，t h es t r u c t u r e so fy - b r a n c hw a v e g u i d e a r ed e s i g n e dw i t ht h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，a n dt h ew e l ls p e c t r a lr e s p o n s e s o ft h ed e v i c e sa r eg e tb yu s eo fb p m s i m u l a t i n gm e t h o d f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fp a s s i v eo p t i c a lp o w e r s p l i t t e r a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fo p t i c a l w a v e g u i d eb a s e do ns i l i c o nt e c h n i q u ea r es y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e d a st h e m a t u r eo fm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , t h ef a b r i c a t i o np r e c i s i o no fd e v i c eh a s b e e ni n c r e a s e dc e a s e l e s s l y , o p t i c a li n t e g r a t e dd e v i c e sb a s e do ns i l i c o nh a v e b r o u g h tf o r t hm o r ea d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，l e s si n s e r tl o s s ，c o m p a c t s t r u c t u r e ，l e s se n c a p s u l a t i o n c o s ta n d v o l u m e p r o d u c e ，a n d t h e s e a d v a n t a g e sa r ei m p o r t a n tt op a s s i v eo p t i c a ld e v i c e ss u c ha so p t i c a ls w i t c h a n dd e t e c t o r f i n a l l y , t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fp l a n eo p t i c a lw a v e g u i d e t e c h n i q u e ，t h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d s ( f r - b p ma n df d b p m ) a r e s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d i nt h en e x tp l a c e ，t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fc a s c a d e dy - b r a n c ha r e s y s t e m a t i c a l l y d e s c r i b e d t h en e wl o w l o s sy - b r a n c hw a v e g u i d ei s d e s i g n e do p t i m a l l y , i t sc o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n ds u b - b r a n c hc o u p l i n gl o s s c a nr e a c h9 6 2 a n d0 0 4 5 d b ，r e s p e c t i v e l y b a s ea b o v e ，an e wl x 4o p t i c a l s p l i t t e rw a sd e s i g n e dw i t ha ng o o do u t p u ts y m m e t r yb yo p t i m i z a t i o no f s t r u c t u r e ，a n dt h er e d e s i g n e do u t p u ti m b a l a n c ec o u l dr e a c ho 0 2d b m 江苏大学硕士学位论文 i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl x 2o p t i c a ls p l i t t e r , al x 3 o p t i c a ls p l i t t e ri sd e s i g n e dw i t ha no p t i m i z e ds t r u c t u r eo fi n p u ta n do u t p u t w eu s et h es t r a i g h tt a p e r e dw a v e g u i d ea st h ei n p u tb r a n c hw a v e g u i d et o r e d u c et h ec o m p o n e n ts i z eo flx 3o p t i c a ls p l i t t e r , a n dt h r e es y m m e t r i c a l o u t p u tb r a n c ho fw a v e g u i d ew i t ht h ec o s i n eb e n dw a v e g u i d es t r u c t u r ei s u s e dt or e d u c et h eb e n d i n gl o s s f i n a l l yt h et a p e r e dw a v e g u i d ea te n d p o r t o ft w oo u t p u tb e n dw a v e g u i d e si su s e dt oe n h a n c et h eu n i f o r m i t ya n dt h e t o l e r a n c e t h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n db r a n c hc o u p l i n g sl o s so fl x 3 b r a n c hw a v e g u i d eh a v ea c h i e v e d9 6 8 a n d0 0 4 1 d b ，r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，i no u rt h eo p t i m i z e dd e s i g n , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h en e w l x 3o p t i c a ls p l i t t e rh a st h em e r i t so fl o w l o s s ，s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l l - s i z e c o m p o n e n t sa n dg o o ds y m m e t r yc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lo p t i c a ls p l i t t e r k e yw o r d s ：p a s s i v eo p t i c a lp o w e rs p l i t t e r , y - b r a n c hw a v e g u i d e ， s i - b a s e d s i 0 2p l a n ew a v e g u i d e ，i n t e g r a t e dd e v i c e s ， f t - b p m ，f d m - b p m ，l x 3b r a n c hw a v e g u i d e ，t a p e r e d w a v e g u i d e ，m o d em a t c h i n g ，c o u p l i n g l o s s ，o u t p u t u n i f o r m i t y 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄茂 日期： 唧年i 月，分日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密。在墨年解密后适用本授权书。 一， 不保密口。 学位论文作者签名：锄取 扣州年，月谚日 指导教师签名： 硼年c 明f 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着信息技术的发展，“距离的观念在时间尺度上正迅速地缩短。而高速数字 互联网和以口为代表的各种传输协议的提出，使得信息网络的服务范围已从单纯 的邮电通信扩展为多媒体服务，宽带综合业务数字网( b - i s d n ) 将成为实现信息 化社会的基础。根据统计和预测，从1 9 9 0 年到2 1 世纪初，全球通信对宽带的需 求呈指数增长趋势，平均每年增长率为3 5 ，其中语音系统的年增长率为1 0 ， 数据系统为3 5 t m 】。另外，国际互联网通信每年增加2 0 0 。要实现大数据量的 高速交换，必须建立和发展光子网络体系，这对以密集波分复用为基础的全光网 络所需的光电子器件提出了非常高的要求。光电子器件的发展趋势也将发生很大 变化，将从原来的独立元器件向阵列组件发展，从离散器件向集成化发展，从体 块型器件向波导型器件发展等等。而且下一代的光电子器件的核心技术必将是集 成光电子。 目前，集成光电子已初具规模，并在光纤通信和光信息处理方面显示出电子 无法比拟的优越性。它不单比分立光学元器件系统具有更大的优势，而且作为一 种信息的处理与传输系统，与微电子相比，集成光电子也具有其固有的重大优越 性。比如目前的计算机已经进入了大规模和超大规模的集成电路时代，但是计算 速率始终局限在电子学所能达到的范围，而光子计算机计算速率可高达1 0 1 0 次秒 至1 0 1 1 次秒，存储容量达到1 0 1 8 勋。它比目前最快的电子计算机的计算速率高一 百倍到一千倍，存储容量大一百万倍。光子计算机与电子计算机相比，有着可并 行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量大的等优点。 另外在集成光学回路中可以实现光信号的逻辑运算、传送和处理，可以方便有效 地实现将许多信号耦合进一个光波导。由于载体是光波而不是电流，这样就避免 了导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。除了能把许多信号耦合到一个光 波导之外，集成回路还可以用调制功能方便地把光信号从某个波导通到另一个波 导【4 。7 1 。 在高速大容量的光子通信系统中，需要实现对光路连接、光信号传输方向控 1 江苏大学硕士学位论文 制、光信号功率分配、各器件之间的耦合控制、分波合波等。因此，光子网络系 统中几乎使用所有的无源器件，而且用量十分大。在大量应用的无源光器件中， 光功率分束器是必不可少的关键器件，它在光通信系统、光纤用户网、光纤有线 电视网、光局域网和无源光网络等领域中有着广泛的应用，是光无源接入网( p o n ) 的核心部件。而光波导型分支耦合器由于其体积小、集成度高、采用平面工艺适 合批量生产等特点，正日益受到重视并得到实用。特别是随着c a t v 、局域网、光 纤用户网及用户接入网用户数量的增多，波导型的多分支的树型和星型功率分束 器将变得越来重要。为适应快速发展的新形势，一方面要求分配的路数要不断增 加，另一方面要求要进一步提高分束器的各项性能指标。因此新一代的光功率分 束器必须是以低损耗、质量轻、体积小、稳定性高、易集成和价格低位为目标2 1 。 图1 - 1 是基于时分复用十分多址( ，m m 厂r d m a ) 的无源双星( p d s ) 的传输原理 示意图，p d s 是p o n 的一种典型结构。从图1 1 中可以看出，光线路终端( o l t ) 传出来的高速下行信码流经无源光功率分束器进行功率分配，广播至所有的光网 络单元( o n u ) ，根据特定的t d m t d m 规约，每个o n u 只在特定的时隙接受属 于自己的信息，并在特定的时间里发出本o n u 的上行信号，从而保证各个o n u 发出的上行信号在光分束器汇合的时候能按时间顺序组成复合信码流而不发生 “碰撞”。 1 2 光分束器的分类 图1 - 1p d s 的传输原理示意图 无源光功率分束器是光通信系统和光信息处理系统中的关键器件，同时也是 构成其他光器件的重要组成部分。光功率分束器从制作方式上可以分为烧结式、 2 江苏大学硕士学位论文 微光学式、光波导式三种【1 3 】。 烧结式的制作方式是将两条光纤并在一起烧熔拉伸，使纤芯聚合在一起。在 这种条件下，从一根光纤入射的光的模场就激励另一根光纤，并形成了相同的模 式，使两根光纤实现了耦合，而其中最重要的设备是熔烧机。但是，不易集成、 分路少、不易调整光的功率分配等缺点限制了其进一步发展。如果要求功率分配 器分配给很多用户，那么就要求用具有高密度的波分复用系统了，用烧结式制作 的分束器就满足不了系统的要求了。 微光学式是将光信号通过渐变折射率透镜，经过扩大和平行后，再用滤波器 过滤光信号，让所需的光波长通过，不需要的光波被反射，对于通过的光波最后 再经渐变折射率透镜聚焦，耦合于输出的光纤，但该方法光对准效率差，不易集 成。 波导式是目前最为流行的制作方式，主要的制作材料和方法有： 1 、半导体材料：主要以o a a s 和i n p 系列为主，目前多采用离子注入和外延 等技术来制备。 2 、玻璃材料：主要以石英玻璃为主，目前多采用高频溅射和离子交换等技术 来制备。 3 、有机薄膜材料：主要以硅有机化合物为主，目前多采用等离子体聚合和溶 液蒸发等技术来制备。 4 、无源介质材料：主要是以l i n b 0 3 系列为主，目前多采用离子交换和高温 扩散等技术来制备。 对于波导型光功率分束器，根据波导的特殊结构可分为y 型、x 型、星型、 树型和m m i 型。 l 、y 分支型功率分配器 7 0 年代初，y a j i n a 1 4 1 用实验证实了y 分支波导结构具有功率分配作用。y 型 光功率分束器又有对称和非对称之分，其形状见图1 2 。 图1 - 2 对称y 分支 3 江苏大学硕士学位论更 图1 - 3 非对称y 分支 在对称的y 分支中，当光波从输入端波导输入，到达输入分支尖角时，由于 输出两对称分支的同一阶导模具有完全相同的传播常数，因此输入分支的一个导 模转换成传播常数同它最接近的两输出对称分支所确定的同一阶导模，这样输出 分支导模将其近乎1 0 0 的功率均分给两对称分支的同一阶导模。y 对称分支分柬 器制作的最关键技术在于抑制分支点产生二阶横模和确定最佳分支角。对于非均 分的分路器，应当采用非对称分支，分光比调整由分支角来确定，见图1 - 3 。非对 称y 分支的晟小分支角和分支点处的散射损耗随分支角的增大而增加陋m 。 在一般实际应用中，为了使结构更紧凑分支波导做成曲线型弯曲，图1 - 4 和1 - 5 分别给出了y 分支波导结构图和传输光场分布图。将多个y 分支结构连成 多级，可构成i n 路的光功分器，目前已经有报道i l ”称在7 6 2 r a m 硅片上实现了 1 2 7 个l x 2 分支连接构成i x l 2 8 的功分器，插入损耗为2 4 3 d b 。 图i 4y 分支波导结构示意酗 图1 jy 分支波导光场分布咧 江苏大学硕士学位论文 2 、x 型光功率分束器 x 型光功率分束器具有对称和非对称型之分。 3 、星型光功率分束器 对于高速、大范围、多路访问的光纤网络，目前较具潜力的是基于r o t m a n 镜 原理进行设计的星型耦合器型的光功分器。星型耦合器型的光功分器是一种n x n 耦合器，它的功能是把n 根光纤输入到光功率组合在一起，并均匀分配给n 根输 出光纤。n x n 星型光分束器可以由几个2 x 2 耦合器组成，但这种组成的缺点是元 件体积大，另外一种方法是采用集成光学结构，即在扇形的输入和输出波导阵列 之间插入一块平板波导区，即自由空间区，如图1 - 6 是n x n 星型耦合器型光分束 器外形图，该区间可用硅平面波导电路技术制成，它的作用是将输入的光功率均 匀的分配到每个输出端，适合构成大规模的n x n 星型光分束器【1 3 1 。 图l 一6n x n 星型耦合器型光分束器外形图【1 3 1 星型光分束器不包括波长选择元件，是与波长无关的器件，输入端和输出端 的数目n 不一定相等，在局域网( l a n ) 应用中一般就是这种情况。例如在电视 分配中，电视信道的数目相当小，但要传送的用户却成千上万甚至百万。如图1 - 7 是l x 8 星型耦合器型光功分器的结构示意图。该器件由一个输入波导、输出波导 阵列和处在中心位置的有效耦合区组成。每个输出波导由直部分和弯曲部分组成， 各输出波导毗邻排列在有效耦合区的圆周内以使输出耦合损耗减至最小，输出波 导的弯曲半径设计成由中心输入波导激发能接近均匀的分配光功率，各输出波导 5 江苏大学硕士学位论文 端口间距为2 5 0 2 m ，以保证使其能与带状光纤耦合在输出波导中实现功率均匀分 配和降低附加损耗，z i r n g i b 等人u 卅设计了改进型的星型耦合器，即接收端孔径中 心口窄，两侧口顺次变宽。目前在硅晶片上已有l x 6 4 和l x l 4 4 1 2 0 1 规模的报道。单 片尺寸分别为6 0 x 1 8 m m 、6 0 x 3 0 m m ，插入损耗分别为1 9 7 6 d b 和2 3 6 2 d b ，功率 离散分别为0 9 2 d b 和1 4 7 d b 。t a b i a n i 和k a v e h r a d | 2 1 】在理论上作了进一步的修改， 分析获得了1 0 0 的耦合功率。但从实用的角度上说，尚有许多细节有待于进一步 探讨。 图1 7l x 8 星型耦合器型光功分器的结构示意图 4 、树形光功率分束器 树形光功分器是指l x n 和2 x n 端口组态的功率分配器系列，它是光纤c a t v 等技术中的重要器件。目前，有线电视光纤系统中多数用l x 2 光分束器( 实际上 是只用一个输入端的2 x 2 光分束器) 拼结成树形光功分器，图1 8 是树形2 x 8 的 光功分器的结构示意图 2 2 2 3 1 。光功分器以光功率均匀分配为标准，其关键参数同 星形功分器一样，也是插入损耗和均匀性等。 图1 - 82 x 8 树形光功分器的结构示意图口2 2 3 1 5 、m m i 型光功分器 m m i 型光功分器即多模干涉( m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ) 耦合器型的光功率分 束器，多模干涉耦合器的基本原理是多模波导中各阶模的干涉而形成的自映像效 j 立( s e l f - i m a g i n ee f f e c t ，s i e ) 。在多模波导中，多个导模相互干涉，沿着波的传播方 6 江苏大学硕士学位论文 向，在周期性的间隔处出现输入场的一个或多个复制映像，这就是多模波导的自 映像。利用多模波导的自映像原理，可以将一束光束分配到多个波导中，形成功 分器；改变各输入光场的相位关系可以使光场按特定的分光比输出到输出波导中， 形成了分光比可调的分束器 2 4 之5 1 。 基于s i e 的m m i 型耦合器具有低的插入损耗、功率离散小，以及对偏振不 敏感，受工作波长、环境温度影响小，且制做容差性好、工艺简单、结构紧凑可 以实现较小尺寸的器件等优点，多模干涉耦合器有着非常广泛的应用前景。应用 多模波导干涉效应( m m i ) 制成l x n 和n x n 的多模光功分器和耦合器，如图1 - 9 是n x nm m i 耦合器示意图。 n 搏l l ； w c o i p l 簋燃 j l i1 i1 n n 1 _ - l 粼 图1 - 9n x n m m i 耦合器示意图 输入单模波导f = 1 ，2 ，n ，输出单模波导j = 1 2 ，n 。波导位置一般为对称 分布，x 加= ( 2 i 一1 ) w 2 n 和x 删= ( 2j 一1 ) w 2 1 v ，其中形为m m i 干涉区实际宽度。 到目前为止已经有很多关于对m m i 型功分器进行改进的报道，如图1 1 0 所示 d a v i d l e v y 等设计了具有t a p e r 结构的2 x 2 m m i 耦合器，h 删l 是传统巨型多模波 导结构的二分之一，且器件的制作容差只牺牲了3 0 。 图1 - 1 0 抛物线型t a p e r 结构的多模波导结构示意图 7 江苏大学硕士学位论文 图1 1 1 所示是赵峰等设计的输入输出波导为锥形结构的倒锥形干涉区的i n 结构 的m m l 分束器，以l x 4 的m m i 结构为例，改进后的器件较原来传统的器件长度 减小了5 0 0 t m ，不均匀性减小了0 1 3 1 d b 2 6 j2 7 1 。 i n p u t m m i - - s e c t i o n o u t p u t s 图1 1 1改进型l x nm m l 分束器结构示意图1 2 6 ，”1 光功率分束器主要完成光功率分配和监控作用，这就需要能实现不同分光比 ( 均匀分光比、自由分光比和可调分光比) 功能的功率分束器。从目前的研究成 果可知，y 分支和多模干涉耦合器型结构是目前最佳的光功率分配器。 1 3 光功率分束器的技术参数 光功率分束器作为一种重要的无源器件，在其领域内一些通常的技术术语对 它也适用，同时也有其自身特点的参数。其性能参数主要有插入损耗( i n s e r t i o n l o s s ) 、附加损耗( e x c e s sl o s s ) 、分光比( s p l i t t i n gr a t i o n ) 、串扰( c r o s s t a l k ) 、 均匀性( u n i f o r m i t y ) 、方向性( d i r e c t i v i t y ) 、功率离散( i m b a l a n c e ) 和偏振相关 损耗( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ) 等，其中插入损耗、附加损耗和分光比为其最 主要的性能参数，如表1 - 1 所示n 3 】： 表1 1光功分器的主要技术指标 参数要求 工作波长1 3 l o 、1 5 5 0 n m 插入损耗9 5 7 d b 附加损耗郢1 5 d b 分光比 l ：9 9 5 0 ：5 0 方向性 5 5 d b 8 江苏大学硕士学位。论文 ( 1 ) 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 对于光分束器而言，插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光 功率的减少值。该值通常以分贝( d b ) 表示，数学表达式为 ，厶= 一1 0 l g 挚( d b ) ( 1 - 1 ) 其中j 是第j 个输出端口的插入损耗；弓嘲是第f 个输出端口测到的光功率值； 是输入端的光功率值。 ( 2 ) 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减少 值。该值以分贝( d b ) 表达式为 毗_ _ 1 0 l g 毕( d b ) ( 1 - 2 ) 值得指出的是，对于光分束器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标， 反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的 输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同种类 的光分束器之间，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其 它无源器件不同的地方。 ( 3 ) 分光比( s p l i t t i n gr a t i o n ) 分光比是光分束器( 耦合器) 所特有的技术术语，它定义为各输出端口的输 出功率的比值，在具体的应用中常用相对输出总功率的百分比来表示： c r = 等1 0 0 ( 1 3 ) 乙p o u t 例如对于标准x 形分束器( 耦合器) ，1 ：1 或5 0 ：5 0 代表了同样的分光比，为 均分的器件。实际工程应用中，往往需要各种不同分光比的器件，这可以通过控 制制作过程的停机点来得到。 ( 4 ) 串扰( c r o s s t a l k ) 串扰分为相邻串扰和非相邻串扰，相邻串扰是指传输波导问场分布指数带尾 耦合到相邻通道中，它是光波导器件的直接来源。非相邻串扰是指输出波导分布 的带尾耦合到非相邻通道中而引起的串扰。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 均匀性( u n i f o r m i t y ) 对于要求均匀分光的光分束器( 树形和星形) ，实际制作时，由于工艺的局限， 往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参 数。它定义为在器件的工作范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量。其数 学表达式为： f 一g 嚣器( 衄) ( 1 - 4 ) ( 6 ) 方向性( d i r e c t i v i t y ) 方向性是衡量定向传输特性参数。以标准的x 形为例，方向性定义为在分束 器( 耦合器) 正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光功率与全部注入光 功率的比值，以分贝( d b ) 为单位的数学表达式 d 三一1 0 l g 挚( d b ) ( 1 5 ) 其中，昂。代表注入光功率，焉：代表输入一侧非注入光的一端的输出光功率。 ( 7 ) 功率离散( i m b a l a n c e ) 光功率离散反映了光功率分束器分配光束的均匀程度，定义为输出波导中输 出光功率的最大值和最小值的减少值。以分贝( d b ) 为单位的数学表达式 21 0 1 9 ( d m ( 1 - 6 ) 其中一和只血则分别表示输出波导中输出光功率的最大值和最小值。 ( 8 ) 偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ) 偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量， 俗称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生3 6 0 0 变化时，器件各输出光 功率的最大变化量 p - 。三= 一1 。l g 器( d b ) ( 1 - 7 ) 1 4 光分束器的应用 ( 1 ) 光分束器在光通信系统中的应用【2 8 - 3 0 随着光学器件工艺技术的成熟，各种光分束器在光纤通信系统中得到广泛的 1 0 江苏大学硕士学位论文 应用，一方面可以独立使用于光网络中，实现对光路连接、光信号传输方向控制、 光信号功率分配、各器件之间的耦合控制和分波合波等相应的功能，另一方面光 分束器是构成其他光器件极为重要的单元，如光开关、密集波分复用和光纤陀螺 等。由于光纤通信系统的网络化需要进行大量的光交换，集成光学开关网络是目 前唯一的能快速完成这一工作的器件，从2 x 2 、4 x 4 到8 x 8 以致1 6 x 1 6 的开关网络 目前已在光纤通信网络交换实验中得以证明。提高光纤传输容量的一个重要方法 就是采用多波长系统，光分束器在密集波分复用中也发挥重要作用。此外，集成 光学的多路分束器、偏振器等也分别在集成式的光发射机与接收机中得到应用。 ( 2 ) 光分束器在传感器中的应用【3 1 1 集成光学器件中由光分束器构成的传感器前端信号处理器有着广泛的应用前 景。光纤陀螺是应用最为广泛的一种光纤传感器，如图1 1 2 是线性相位调变移频 的光纤陀螺。由于y 集成光学芯片( l i n b 0 3 波导) 具有消光比高、相位调制带宽、 宜于动态范围内快速自动补偿与标定和适于大批量生产等特点，得到了广泛的应 用。同时分束器和开关阵列在光纤水听器中也得到广泛应用，增强了水听器的信 号处理能力，提高了灵敏度，而且便于构成集成光学式光纤水听阵列，完成水下 目标的准确定位。 豢y 谊峋纛觞巷 图1 1 2 线性相位调变移频的光纤陀蜊3 1 】 ( 3 ) 在军事上的应用p 2 删 光分束器在海、陆、空、天、电、网等各种军事装备中都得到广泛的应用， 集成光学多路分支器和光开关网络是雷达信号光纤传输系统以及电子对抗用光纤 延迟线中的重要器件。如相控阵雷达采用的微波延迟线，它的成本高、体积和质 量大、温度特性差、带宽小、机械不灵活、传输损耗大；而采用光纤延迟线则可 以完全克服这些缺点。利用光纤色散特性延迟，将高色散光纤和色散位移光纤混 1 1 江苏大学硕士学位论文 合制成的树型耦合器，又称光纤色散棱镜。如图1 1 3 所示的光纤色散棱镜中同时使 用了光纤色散延迟和长度延迟。 一色散经貉姘 一蠢鬯嚣渊 图1 1 3 光纤色散棱镜【3 4 】 ( 4 ) 在c a t v 上的应用【3 5 。3 6 】 在c a t v 光纤网络中，光分路器是进行光信号分路传输必不可少的光器件， 随着c a t v 光纤网络的蓬勃发展，光分路器得到越来越广泛的应用。在光纤有线 电视系统中使用的光分路器一般都是1 2 、1 3 等结构单元组成的i n 光分路器， 其作用是把一路光按比例分成多路输出，如图1 1 4 和1 1 5 分别是i n 光分路器 简图和模块化封装的i n 光分路器简图。i n 光分路器可以由多根光纤整体熔融 拉锥而成，也可以利用2 x 2 熔融拉锥光分路器拼结而成。目前有线电视光纤系统 中主要用1 2 分路器( 而只用一个输入端的2 x 2 光分路器) 拼结而成1 4 、l x 8 、 l x 3 2 等光分路器。目前也可以用连续熔融拉锥技术，直接生产出i n 的分路器， 同时n 路输出之间的分光比可以任意指定，而不像原来的l x 2 分路器拼接而成的 分路器，其分光比只能按5 步进。 l 2 3 4 5 6 7 霉 江苏大学硕士学位论文 输入湍 图1 1 41 x n 光分路器简图 i i i 图1 1 5 模块化封装的l x n 光分路器简图 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作是以新型低损耗的l x 2 、l x 3 光功率分束器以及级联y 分支为 主要研究对象，本论文的框架大体如下： 第一章：对光分束器在光纤通信系统和光信息处理系统等各方面的应用作了 综述，阐述了光分束器的种类、技术参数和应用。 第二章：详细介绍了硅基平面光波导材料的基本情况，又对光器件的模拟和 设计方法从平面光波导的数值计算原理和平面光波导光束传播法等方面作了详细 的介绍。 第三章：对y 分支功分器的工作原理、设计、结构优化和级联y 分支作了较 详细的说明。 第四章：设计了改进的新型低损耗的1 2 功率分束器，并对由其级联的l x 4 分束器的输出均匀性进行了优化；最后在l x 2 功率分束器基础上设计了l x 3 功率 分束器，并对其结构进行优化，达到了较好的性能。 江苏大学硕士学位论文 第二章硅基光波导材料及数值计算原理 2 1 引言 集成平面光波器件是光通信系统中重要的组成部分，而硅基光波导器件由于 其损耗小、与半导体工艺兼容等优点广泛应用于光通信系统中。目前，人们广泛 地利用硅基s i 0 2 光波导技术制作了m a c h z e d e r 干涉仪、光开关阵列、分束器、光放 大器、窄带滤波器和方向耦合器等d w d m 系统组件；在传感领域制作了光波导陀 螺仪的核心部件环形谐振腔；在生物电子领域，可在硅片上集成生物分析系统。 这些器件主要利用波导结构变化所引起的模式分离与组合、波导双折射特性的控 制与消除、热光效应改变局部折射率等原理制作的。s i 基s i 0 2 平面波导除了可以 用来制作上述各种平面光波回路( p l c ) 器件以外，还可以作为平台或主板在上面进 行光电混合集成【3 1 1 。 基于s i 0 2 波导技术为基于w i ) m 的光网络提供了多样的无源光器件，集成光 学器件主要有分支器件和波分复用解复用器件等。在分束器件中有l x n 、2 x n 、n x n 等形式，其中y 分支波导是构成分束器的基本构件，它结构简单，具有好的 重复性，结构与光的分布耦合无关，其带宽仅取决于模色散的限制，适合制作宽 带分束器，并对制作低损耗光功分器十分有用。随着平面波导制作工艺的日益成 熟，制造精度的不断提高，成本的持续下降，平面波导光集成器件尤其是s i 基底 上s i 0 2 平面波导集成器件在光通信系统中的应用更加重要和广泛。由于可以做到 对信道间隔均匀性的精密控制、更加低值均匀的插入损耗、更紧凑的器件、降低 的封装成本、易于大批量生产、可靠性的加强以及易于同光开关、探测器和其他 有源器件单片集成等优点而具有大的市场空间。 2 2 硅基光波导的基本情况p 7 蜘 目前光波导的制作主要在l i n b 0 3 、玻璃、i n p 、s i 等衬底材料上完成。由于 具有成熟的技术条件、低成本和能与光纤匹配等优点，硅基光s i 0 2 也成为光波导 的重要材料，s i s i 0 2 光波导器件和回路已经广泛的市场化。 现在比较常用的硅基光波导按照波导层的制作工艺和方法可以分为：外延型 1 4 江苏大学硕士学位论文 光波导、s o i 光波导、氧化硅光波导、g e x s i a 一。外延层光波导和g e 扩散光波导、 硅v 槽光波导和正在建议中的s i c 光波导。 2 2 1 外延型光波导 所谓的“外延”就是生长材料与某种起始单晶( 衬底) 具有相同或接近的结晶学 取向的薄层单晶的生长过程。进行外延生长的的基本思想是：将基片作为有序生 长的模板，外延生长出与基片的晶格参数匹配或接近的薄膜。最早提出的用于 1 3 1 6 m 波长范围的硅基光波导是外延型光波导。即采用常规的外延工艺在r 或p + 硅单晶衬底上生长一层轻掺杂外延层。由于衬底和外延层的自由载流子浓度 不同，其折射率也不同，平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中，由 此而形成光波导。通常衬底掺杂浓度高于1 0 1 8 锄o ，外延层掺杂浓度为1 0 1 4 1 0 1 5 锄3 ，外延层即波导层厚度在1 0 p m 左右。这种光波导由于利用的是自由载流子效 应，衬底和波导层的折射率相差很小，仅为1 0 弓左右，对光波的约束很不充分， 导模场在重掺杂衬底中有一个很大的场分布，衬底吸收十分明显。一般外延平板 光波导的传输损耗是5 q 3 d b 锄，对于研制实际器件来说，这样大的损耗显然不 合适，所以人们转向研制其他结构的光波导。 2 2 2s o i 光波导 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 最初是为了满足微电子学技术的发展而出现的，s o i 材料用于光电子器件和导波光电子器件的研究还是在八十年代后期，当时主要认 为其可以用来制作介质光波导。进入九十年代以后，才开始研究s o i 光波导、s o i 无源导波器件以及s 0 1 有源导波器件( 主要是调制开关) 。s o i 材料用于导波器件其 优越性表现在以下几点：与s i 工艺相容，便于电子集成和光子集成；能作三维器 件，可大规模集成；良好的波导特性；用于光互连，光学回路的运算速度比电子 回路快1 0 4 倍；而且s o i 器件还具有抗瞬时辐射效应的能力，可以在高温环境下 工作，因此它被微电子工业界看好。 对于硅基光波导器件与回路来说，非常有意义的是s o i 结构本身正好就是平 板光波导结构。因此实现s o i 电路和s o i 光波导器件的单片集成无疑是一种自然 的想法。s 0 1 光波导是在前述的外延型硅光波导的外延层和衬底间夹入一层s i 0 2 形成的。s i 0 2 的折射率远小于硅的折射率，它可以将其上波导层中传输的光波与 江苏大学硕士学位论文 衬底完全隔离开，从而消除了衬底的吸收。实际上s i 0 2 已完全取代了衬底的光学 作用，所以衬底的掺杂与否已不受波导的限制。s o i 材料的生成技术主要有区熔再 结晶( z m r ) 、直接键合与背腐蚀( b e ) 和注入氧隔离( s m o x ) 等技术。研究 发现，z m r s o i 光波导的损耗太大，而b e - s o i 光波导的顶层质量很好但难以获 得均匀的厚度。相对而言，s i m o x - s o i 是最佳的选择。 2 2 3 氧化硅光波导 氧化硅光波导可以充分利用现已成熟的微电子技术，并能实现光器件与微电 子器件的集成以及多种有源器件和无源器件的一体化。同时该种波导结构以其低 的插入损耗、能有效的与光纤耦合、集成密度高等特点成为较为理想的实现波导 结构的材料。利用在s i 0 2 中掺杂( g e ，t i