基于光子晶体和纳米线波导的波分—模分混合复用_解复用集成器件研究.pdf

摘要 随着物联网、云计算、自动驾驶、虚拟现实等流量消耗型应用的快速兴起，通信系统对 传输容量、传输速率的需求呈现爆炸式增长，因此需要强大的光纤传输网作为支撑，从而满 足其超大容量、超快速率的传输要求。但传统单模光纤的容量现已逼近香农极限，将无法满 足日益增长的业务需求。空分复用技术应运而生，它采用少模、多芯或是两者结合的方式增 加单根光纤所能够传输的信道数，可以极大地提高系统的传输容量和频谱效率。结合波分、 - / 模分复用技术，实现波分模分混合复用解复用将是突破容量瓶颈的关键技术之一。 近年来，硅光子技术利用其低功耗、高速率以及与CMOS 工艺兼容的特性，使光子器件 / 与电子器件的集成变为可能。受硅光子学发展的影响，硅基片上波分、模分及其混合复用解 复用器件得到了越来越多的关注，而该类器件正是新型混合复用系统的关键组成部分。但到 - / 目前为止，利用硅光子芯片实现片上波分模分混合复用解复用的技术仍处于研究阶段。 - / 本文首次提出基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用解复用器，采用具有高品 / / 质因数的光子晶体谐振腔进行波分复用解复用，并利用纳米线波导进行模分复用解复用，最 / 终实现了波分和模分复用解复用器件的片上集成。 - / 本文主要针对缩小波分模分混合复用解复用器的波长信道间隔、扩大其自由光谱范围、 降低其插入损耗进行研究，建立了器件模型，优化了结构参数。论文的主要研究内容如下： 1 - / （）构建了微腔 波导耦合简化模型，推导了光子晶体谐振腔型波分复用解复用器件的 - 耦合模理论。研究了波导波导耦合机制，提出了通过增大波导间距来抑制非对称定向耦合型 / 模分复用解复用器件中模式串扰的方法。 2 （）研究了相位关系对微腔与波导间耦合特性的影响。提出了一种二氧化硅回音壁模式 环形腔与硅基光子晶体波导的侧耦合结构，通过实验和理论分析，发现模式匹配是实现微腔- 波导高效耦合的前提条件。 3 / （）为了进一步缩小硅基面内型光子晶体波分复用解复用器件的波长信道间隔，提出 / 了三种类型的光子晶体密集波分复用解复用器件，分别基于一维光子晶体纳米梁腔、二维光 2D-FDTD 子晶体双反射壁腔，以及二维光子晶体双色腔。利用二维时域有限差分法 （ ）和二 2D-FEM 维有限元法 （ ）进行了器件设计和结构参数优化，最终仿真测得这三种类型的光子晶 / 0.8 nm 体波分复用解复用器的信道间隔最小可达 。 4 / （）研究了光子晶体波导非对称定向耦合型模分复用解复用器件在不连续波长处具有 高插入损耗的原因，发现周期性介质微扰导致