【作者】 郭文滨；

【导师】 陈维友； 马春生；

【作者基本信息】 吉林大学 ， 微电子学与固体电子学， 2004， 博士

【摘要】 随着光通信系统和网络对带宽和容量需求的迅猛增长，波分复用技术越来越成为人们研究的热点。基于阵列波导光栅（AWG）的各种光子器件能够满足密集波分复用系统的各种需求，因此，研制 AWG 器件以及改善它的性能就成为了密集波分复用系统研制工作的关键技术之一。 阵列波导光栅是由一定数量的输入/输出信道波导、阵列波导和两块平板波导组成，信道波导和阵列波导通过平板波导相连。阵列波导中相邻阵列波导的长度差保持为常数，可以起到光栅的作用，从而可以完成不同波长光的复用和解复用功能。本论文从波导的模式方程和基本的光栅方程出发来阐述阵列波导光栅的工作原理及主要功能，如角色散、自由光谱区、微调效应、波长分配原理、波谱平坦、偏振不灵敏性、温度效应等。分析了波分复用系统对 AWG 的具体要求：波长对准与稳定、低串扰、低插入损耗、顶部平坦的带通、偏振不敏感、可集成和级连、低成本与封装。给出了 AWG 的具体特性和在光通信系统中的应用。 条形波导是集成光路和各种集成光学器件包括AWG器件的基本元件。本论文依据介质光波导的电磁理论，具体推导了矩形波导的Emn 和Emn 导模 y x的场分布函数和特征方程，并以此为基础给出了单模矩形波导的波导芯尺寸和模的有效折射率。结合以上关于矩形介质波导的推导和AWG光栅方程中的参数关系，对于一种中心波长为 1.550918μm，信道间隔为 1.6nm的 11×11 通道的聚合物AWG波分复用器进行了参数优化和结构设计。我们对参数 124<WP=133>吉林大学博士学位论文的优化主要体现在以下几个方面：从波导传输单模的条件出发来优化波导芯的厚度和宽度，并给出模的有效折射率和群折射率的数值；根据AWG的参数关系来优化衍射级数、相邻波导间距、相邻阵列波导的长度差、平板波导的焦距、自由光谱区、最大信道波导数和最小阵列波导数等参量，并给出一组经过优化的参数值。在结构设计方面，我们从AWG的具体几何形状出发，推导出AWG中波导坐标的公式，并以此确定出AWG中波导坐标的具体数值，我们所设计的结构参数包括信道波导和阵列波导的弯曲半径、弯曲角度、弯曲弧长及总长度。最后，根据以上的计算给出AWG器件的版图，器件由11 条输入信道波导、11 条输出信道波导、91 条阵列波导和 2 个平板波导构成。该器件的尺寸约为 3.2×1.8 cm2。 对于光通信组件阵列波导光栅波分复用器而言，传输特性是衡量器件性能的重要标志，传输特性的好坏直接决定器件的复用与解复用功能能否实现。我们从AWG衍射理论出发，具体推导了AWG的输入平板波导和输出平板波导中衍射远场的公式。以此公式分析了输入与输出平板波导中的功率分布，魔鬼峰的能量损失和衍射效率，旁瓣的抑制以及波谱平坦问题。根据AWG的传输函数分析了传输光谱、自由光谱区、串扰特性，以及由于Epq 和 xEpq 模的有效折射率不同所带来的偏振相关性问题。在以上的每一项分析 y中，我们都着重分析了不同参数对传输性能的影响，都给出了具体的参数优化结果。 在 AWG 器件的具体研究中，如何降低器件的插入损耗是我们另一项主要的研究内容。AWG 器件的损耗主要来源于以下几个方面：光在 AWG 波分复用器的输入/输出平板波导中发生衍射时引起的衍射损耗；AWG 器件中信道波导和阵列波导通常都具有弯曲的形状，这将引起光的弯曲损耗；AWG器件通常是在高折射率衬底上制作的，高折射率衬底将引起光的泄露损耗；由于波导材料的吸收还要引起光的传输损耗。我们从 AWG 的衍射远场公式出发，分析了输入平板波导中和输出平板波导中的衍射损耗，适当减小相邻波导间距、增大波导芯宽度和阵列波导数可以降低AWG器件中的衍射损耗。从马卡提里的波导弯曲损耗方程出发分析了波导的弯曲损耗，分析结果表明，适当增大波导的弯曲半径是降低弯曲损耗的最好方法。通过增大波导芯与衬底之间的下限制层厚度，可以有效地减小由高折射率衬底引起的泄漏损耗。至于器件的传输损耗，解决的最好办法就是提高材料的性能，尽可能减 125<WP=134>吉林大学博士学位论文小材料对光的吸收。 最后，我们以上面的几个部分为基础，开发出一种适合对 AWG 进行特性分析、参数优化和结构设计的计算机模拟软件 AWGCAD，在模拟的精度和全面性上，我们的软件跟国外软件相比也毫不逊色。给出了软件以下几个模块的具体介绍：波导有效折射率分析模块、参数相互关系分析模块、波导弯曲损耗分析模块、波导耦合间距分析模块、自由光谱区分析模块、衍射效率和衍射损耗分析模块、旁瓣抑制分析模块、高折射率衬底泄漏损耗模块、串扰分析模块。 本文的主要创新点为： 1. 在国内外以往的关于AWG波分复用器的研究中，矩形波导的远场都是采用高斯分布函数，这一函数中含有一个称为“波导模场尺寸”的参量w0。这一参量的值与矩形波导的具体材料和截面尺寸有关，不同矩形波导的w0具有不同的值。因此对于某一具体的矩形波导而言必须用实验方法进行确定，如何更多还原

【Abstract】 With the development of modern telecommunication and networks, moreand more attentions have been paid to dense-wavelength-division multiplexing(DWDM) systems. And N×N arrayed waveguide grating (AWG) multiplexer hasbeen very attractive in optical DWDM networks since it is capable of increasingthe aggregate transmission capacity of single strand optical fiber. So, it becomesone of the key technologies in studying DWDM systems to fabricate AWGdevice and develop its performance. The AWG multiplexer consists of input/output rectangular waveguides (i.e.I/O channels), two focusing slab waveguides, and an AWG which containsnumbers of arrayed rectangular waveguides. The AWG joins the two slabs andprovides a constant length difference between adjacent arrayed waveguides. Inthis paper, the operation principle and fundamental characteristics are presentedaccording to the waveguide model equation and basic grating principle, such asangle dispersive, free spectral range (FSR), inching function, wavelengthdistributing, temperature response and so on. The request of the WDM systemsto AWG is wavelength stabilization, low crosstalk, low insertion loss, flatresponse bandwidth, easy integration and interconnection, low cost and easyencapsulation. The characteristics and its application in telecommunication andnetworks are analyzed and described. The single-mode optical waveguide is the basic element of optoelectronic 128<WP=137>吉林大学博士学位论文circuits and integrated optoelectronic devices including AWGs. Based on theelectric-magnetic theory, we introduced the Emn mode and E mn mode, and the y xwidth and the effective refractive index of the waveguide are given. According tothe results we have got, we optimized a polymer AWG multiplexer. First someimportant parameters are optimized for the structural design of a polymer AWGmultiplexer around the central wavelength of 1.55 μm with the wavelengthspacing of 1.6 nm. These parameters include the thickness and width of the guidecore, mode effective refractive indices and group refractive index, diffractionorder, pitch of adjacent waveguides, length difference of adjacent arrayedwaveguides, focal length of slab waveguides, FSR, the number of input/outputchannels, and that of arrayed waveguides. Then the bent angles, radii and lengthsof all the input/output channels and arrayed waveguides are determined. Finally,a schematic waveguide layout of this device is presented, which contains 2 slabs,11 input channels, 11 output channels, and 91 arrayed waveguides. The transmission characteristics play important roles in the application ofAWG to telecommunication. The transmission characteristics are analyzed for apolymer AWG multiplexer around the central wavelength of 1.55 μm with thewavelength spacing of 1.6 nm. We introduce the expressions of the normalizedfield of AWG according to the AWG diffraction theory. The power profile in theinput slab waveguide and output slab waveguide are analyzed, transmissionspectrum, diffraction efficiency, polarization and crosstalk are investigated anddiscussed for different values of parameters, such as the core width, pitch ofadjacent waveguides, the number of arrayed waveguides, propagatingwavelength and diffraction order. Larger core width and larger number of thearrayed waveguides lead to weaker background of the output power profiles andtransmission spectra of the device. Smaller pitch of adjacent waveguides, largercore width and larger diffraction order can result in higher diffraction efficiency.By using a taper to widen the input ends of the arrayed waveguides, thediffraction efficiency can be increased efficiently. There exists a minimum of thecrosstalk with the variation of the pitch of adjacent waveguides. Therefore, weshould select its value nearby this minimum to reduce the crosstalk of the device.更多还原