一、Optim ization of a 1×8 Arrayed-Waveguide Grating Multi/Dem ultiplexer（论文文献综述）
王健,曹晓平,张新亮[1]（2021）在《片上集成多维光互连和光处理》文中认为随着云计算和数据中心的高速发展,片上集成光互连和光处理凭借在集成度、速度、带宽及功耗等方面的独特优势,成为突破传统电子瓶颈的关键技术。同时,光子具有频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等多个物理维度,可发展为多维混合复用技术,进一步提升光互连和光处理的带宽。结合光场多个物理维度资源,分别对片上集成多维光互连和光处理的关键技术进行了回顾,并对其未来发展趋势进行总结和展望。
许弘楠[2]（2021）在《面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究》文中提出伴随着微电子技术的快速发展与数据处理需求的爆发性增长,芯片互联与数据中心通信正面临着日益严重的传输带宽瓶颈。基于多维复用的新型光互联技术则通过结合波长、偏振、模式等多个维度,提供了一种可行的解决方案。硅基集成光子器件凭借其紧凑的器件尺寸、极低的工作能耗与成熟的加工工艺,被广泛视作构建基于多维复用光互联系统的最佳平台之一。近年来,包括亚波长光栅、超材料、超光栅在内的硅基亚波长结构逐渐兴起,并被应用于波长、偏振、模式等光子特性的精确调控。本文涉及的主要工作是,通过结合硅基亚波长结构与硅基集成光子学,实现一系列具有低损耗、低串扰、大带宽,并可用于片上、片间及空间多维复用的硅基集成光子器件。我们首先讨论了在硅基集成光子器件的仿真、加工与测试方法,并在此基础上,依次对偏振维度、模式维度、波长维度调控以及空间多维光通信中涉及的几类关键器件进行研究。针对偏振维度调控,我们利用硅基亚波长光栅的各向异性与色散特性,提出三类高性能偏振调控器件,即硅基偏振分束器、硅基起偏器与硅基偏振旋转器。对于硅基偏振分束器,我们提出一种基于亚波长光栅异质结的新颖结构。通过拼接光轴取向正交的亚波长光栅,构造了一种具有显着各向异性的耦合器结构,从而有效地分离了输入的正交偏振态。这一器件可以实现215nm以上的工作带宽。对于硅基起偏器,我们提出一种新颖的亚波长光栅/弯曲波导混合结构。通过结构参数优化,可以使得亚波长光栅对TE、TM偏振态产生显着的等效折射率差,从而有效地增强弯曲损耗的偏振相关性,从而保证输入光中的TM分量被完全滤除。这一器件可以在415 nm以上的光学带宽范围内保证低插入损耗与高偏振消光比。对于硅基偏振旋转器,我们提出一种新颖的亚波长光栅/缺角波导混合结构。我们将传统缺角波导中的缺角部分替换为亚波长光栅,利用亚波长光栅的异常色散特性,消除了偏振转化长度的波长相关性,从而实现了 415 nm以上的超大光学带宽。针对模式维度调控,我们利用亚波长光栅与超材料的折射率调控特性,提出三类高性能多模传输相关器件,即硅基多模波导弯曲结构、硅基多模波导交叉结构与硅基多模波导功分器。对于多模弯曲传输,我们提出一种新颖的渐变折射率模式转换器,将输入的直波导模式完全转化为相应的弯曲波导模式。我们实验验证了半径30μm以下的4模式弯曲传输,实验测得1.5 dB以下的插入损耗与-20 dB以下的模间串扰。对于多模交叉传输,我们提出一种新颖的Maxwell鱼眼透镜结构,并利用其共轭成像特性将任意高阶模式无损地传输至对侧。我们实验验证了基于这一结构的2模式交叉传输,实验测得插入损耗仅为0.28 dB,同时串扰低于-20 dB。对于多模分束传输,我们提出一种新颖的等效介质分束镜结构,通过调控亚波长光栅的等效折射率,将特定比例的入射光反射至输出端口,从而实现低损耗、低串扰的多模分束传输,并且具有415 nm以上的超大光学带宽。针对波长维度调控,我们提出一种基于连续区束缚态的硅基超光栅滤波器。利用波导内部的干涉相消效应,消除Bragg谐振态的横向衍射损耗,从而产生具有高品质因子的准束缚态。我们实验验证了临界波导宽度附近准束缚态的建立过程,并且利用这一机制构造了Q值5000以上、自由光谱范围100 nm以上的窄线宽滤波器。针对空间多维光通信,我们提出一种基于连续区束缚态的硅基超光栅光学天线。利用不同衍射通道之间的干涉相消效应,有效抑制了光栅天线的衍射强度,并实现了平坦的衍射强度光谱。实验测得衍射强度仅为3.3×10-3 dB/μm,对应0.027°以下的超小远场发散角。最后,我们总结了本文中的主要工作,并对未来的研究方向进行了展望。
刘大建[3]（2021）在《高性能硅光滤波器及其应用研究》文中研究说明当前,新一轮科技革命和产业变革在全球持续深入发展,各领域对网络的依赖不断增强,作为其核心支撑的光通信系统、数据中心面临重大挑战。硅基光电子芯片凭借其CMOS兼容、低成本、小尺寸等独特优势,而备受关注。硅光滤波器是其最重要的元件之一,作为关键器件在波分复用和光谱传感等领域被广泛应用。本文围绕高性能硅光滤波器及其应用为主题开展研究。本文首先介绍了集成光学的发展、硅光的优势及其在光通信、光传感等领域的典型应用。之后,本文概述了硅光滤波器的研究现状和发展需求,并对片上硅波导单元器件的仿真设计和测试流程及装置做了简要介绍。其次,本文针对如何获得超大自由频谱范围（FSR）的微环（MRR）滤波器做了深入研究。首先,本文提出了基于多模弯曲波导和弯曲耦合结构的单环滤波器,引入多模弯曲波导以降低弯曲损耗,并优化弯曲耦合结构以调控模式,实现的亚微米尺寸微环滤波器FSR高达93nm,是迄今为止报道的最大值。在此基础上,还进一步提出了基于高阶绝热渐变椭圆环（AEM）的高阶环滤波器,通过引入宽度和曲率均绝热渐变的椭圆环以实现超紧凑微腔,引入弯曲耦合结构以获得所需耦合,实验表明该高阶环滤波器FSR达37nm,为目前报道的高阶MRR的最大纪录。第三,基于多模波导光栅（MWG）,本文研制了两种新型硅光滤波器。首先,针对新通信窗口、重要传感波段—2μm波段,本文首次提出并实现了基于MWG的插分型滤波器,验证的2μm硅光滤波器具有低损耗（～1dB）、高边模抑制比（>20dB）、带宽灵活可调（6～26nm）等优异性能。另外,还提出了一种基于双光栅的偏振不敏感滤波器,该滤波器由一个双偏振模式解复用器和双光栅（包括三角形MWG和矩形MWG）组成,通过巧妙的结构设计和偏振调控以实现偏振不敏感特性,并引入特殊的三角形MWG以减少反射并抑制FP共振,实现了带宽～10nm、FSR不限的偏振不敏感滤波器。第四,基于级联MWG结构,通过调控各MWG光谱特性,本文研制了多种多通道波分复用器,包括四通道粗波分复用器（CWDM）、单纤三向复用器（Triplexer）和单纤四向复用器（Quadplexer）。利用MWG滤波器光谱调控的极高灵活性和扩展性,实现了各类复用器波长、带宽各异的要求;采用切趾技术以降低串扰,并引入了渐变光栅和弯曲波导来抑制FP共振以进一步降低串扰。实验结果表明,各复用器均获得了低损耗、低串扰和平坦响应的高性能特性,且均符合国际标准要求。特别地,对于Quadplexer稀疏的通道波长和不均匀的带宽要求,在其它波导结构滤波器难以实现的情况下,本文多波长、多通道协同设计优化了 MWG的结构及光谱特性,首次在片上实现了高性能Quadplexer。总而言之,在高性能硅光滤波器及其应用方面,本文对基于MRR和MWG的滤波器做了深入且系统的研究,并成功研制了多种高性能的硅光滤波器,为今后大规模的硅光链路系统的集成提供了重要的基石。
刘芯雨[4]（2021）在《硅基片上偏振调控器件研究》文中研究说明进入21世纪以来,随互联网技术的发展以及各种智能终端的普及,尤其5G时代的到来,以及随之而来的物联网发展和云计算等新概念的引入,包括近期受新冠疫情刺激,新兴的线上服务业的蓬勃发展,人们工作和日常生活中对数据通信的速度、容量等需求日益增长。硅基光电子集成芯片,以其低损耗、结构紧凑、CMOS工艺兼容等一系列优势,作为新一代光通信、光互联的技术支持吸引着越来越多的关注和研究。目前已有很多成熟的可插拔光模块在数据中心等应用场景发挥着巨大的作用,但同时,我们也应认识到更高效更快速更大容量的硅基集成光子芯片仍然是我们发展的方向和急需攻克的难题,为此,我们仍要进一步提升其器件性能、降低波导损耗、进一步扩大光互联的数据传输容量。其中,光无源器件作为一种技术相对成熟,已有大量性能优越的可工业投产的结构器件,拥有非常广阔的发展前景。光无源器件是一种不需要借助外部光或电的能量,由自身能够完成某种光学功能的光学元器件。应用光无源器件,我们可以发展多维混合复用技术,极大的提升信息传输的速率。而偏振态,作为一种光的重要属性,一直备受关注。本文中,我们面向多维混合复用技术中的偏振复用,分别提出了面向目前通信常用波段C波段,新兴波段O波段,以及即将发展的2μm波段的偏振调控器件,为应用在不同的偏振调控场景,分别设计了不同功能的偏振调控器件,包括偏振分束器,偏振旋转器,以及偏振旋转-分束器。为解决片上偏振敏感问题提供了完备的解决办法。首先,针对偏振分束器方面:我们面向2μm波段,提出了一种基于弯曲的非定向耦合器与槽型波导结合的,全新结构的偏振分束器,该结构显着增大了 TE偏振态的折射率失配,在保证TM偏振态耦合的前提下,完全抑制了 TE偏振态的耦合。该器件最小线宽180nm,保证了与目前成熟的光刻工艺兼容,为器件工业化批量生产提供了便利。利用该结构,仿真实现了 195nm带宽范围内,TM偏振态消光比大于15dB且损耗小于0.5dB,同时,TE偏振态消光比更是可以超过30dB,取得了非常良好的结果。针对实际加工测试结果,也保证了120nm带宽范围内TM偏振态消光比大于15dB,TE偏振态消光比大于20dB;同时TE、TM偏振态的损耗均小于0.5dB的优秀性能。实现了工作在2μm波段,大带宽,高性能的全新偏振分束器结构。其次,在偏振分束器的新原理新设计思路方向,我们面向C波段这一常见通信波段,利用亚波长光栅结构,将SOI平台转化为各向异性介质,对不同偏振态,具备不同的耦合系数,并以此为理论,制造出了只对TM-偏振态出现耦合状态,TE-偏振态完全不耦合的一种新型PBS结构,该PBS器件对于TE-偏振态,具有100nm带宽范围内消光比一直大于40dB的优秀性能。同时,利用这一结构,我们可以在SiN平台上完成类似的偏振分束器的设计,为解决包层芯层折射率差很小时的偏振分束器结构提供了设计思路。第三,针对偏振旋转器方面:我们面向目前常用的光通信波段C波段,提出了一种基于锥形渐变的槽型波导结构,该结构基于超模演化理论,相较于目前已有的硅基片上偏振旋转器结构,具有大带宽,低损耗的优点。我们针对最小线宽180nm和最小线宽150nm,分别设计了两组偏振旋转器参数,针对最小线宽180nm的成熟光刻工艺兼容偏振旋转器,仿真验证工作中心波长的最大消光比可达48dB,同时保证100nm带宽范围内消光比大于12dB。并完成了相应的器件加工制造,测得性能100nm带宽范围内消光比大于10dB,同时损耗小于1dB。为获得更好的宽带性能,我们将最小线宽降到150nm,并得到了 100nm带宽范围内消光比大于20dB的大带宽超高消光比偏振旋转器仿真性能。第四,针对偏振旋转-分束器方面:我们面向目前色散损耗最低的O波段,提出了一种使用粒子群算法优化的超紧凑型偏振旋转-分束器结构。相较于目前已有结构,该偏振旋转-分束器在保持大带宽、高消光比、低损耗的前提下,将正常情况下几百μm长度的器件尺寸缩小到60μm。为将来如何在固定芯片尺寸前提下,更加紧凑的排布器件,增加器件个数提供了解决方法。最后,对全文的主要工作做出了总结,并对硅基片上偏振调控工作做出展望。
王依[5]（2021）在《硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究》文中认为近年来,多模硅基光子学成为硅基片上集成领域中新兴的研究方向,其通过打破传统单模条件约束,在基模的基础上引入高阶模式构建基模-高阶模融合的光波导器件,从而一方面可以扩展模式数量以提升通信容量,另一方面通过调控高阶模式可以增加器件设计的灵活度和自由度。目前主要研究领域包括发展满足模式复用光互联系统的关键器件以及利用多模波导或高阶模式结合新型器件结构设计,从而实现性能优越、功能独特的的光子集成器件。本文在支持基模与高阶模传输的硅基片上集成器件方面进行了一系列深入的研究工作,主要设计并验证了支持基模与高阶模低损耗、低串扰传输的多模弯曲波导,设计了同时支持双偏振工作的多模弯曲波导,以及设计并验证了利用多模波导传输基模的低损耗波导结构。首先,针对在传统多模弯曲波导和直波导相接处,由于两者折射率分布不同会发生模式失配,引入模间串扰的问题,本文创新性地提出通过引入反射镜结构替换传统的弯曲结构,从而避免传统弯曲波导设计中模式失配的问题。所设计的结构满足基模与高阶模在超大带宽范围内（1260nm-1680nm）超低损耗、超低串扰传输的需求,如:对于波导宽度为7μm的结构,在1260nm到1680nm的带宽范围内,TE0和TE1模式插入损耗小于0.18dB,模间串扰小于-36dB,同时该设计极为简便、工艺容差大且极具模式数目上的扩展性。第二,针对基于模式复用和偏振复用形成的混合复用系统应用领域,本文首次提出了支持双偏振工作的多模弯曲波导,此设计基于欧拉弯曲和亚波长光栅结构,能够在1500 nm-1600 nm工作带宽内支持六个模式在其中低损耗、低串扰地传输,这六个模式彼此间的模间串扰在这100nm的带宽范围内均小于-26.5 dB,而在工作波长为1550nm处对应的模间串扰均小于-30 dB。对于同样尺寸大小（Reff=10 μm）的普通弯曲波导而言,在相同工作波段下,其模间串扰会达到-8.4 dB。第三,本文基于散射损耗随着条形硅波导宽度增大而减小的原理,提出并验证了一种支持基模低损耗传输的超紧凑硅基多模螺旋波导结构,从而实现了超低损耗硅光波导传输。在设计过程中本文通过优化波导宽度、多模螺旋波导的曲率变化情况等参数,使基模在多模螺旋波导中保持低损耗传输的同时,也不会激发出高阶模式,且整个波导结构的尺寸也十分紧凑。实验结果证明,针对芯层高度为220nm的条形硅波导,其在工作波段1525 nm到 1585 nm范围内的平均波导损耗为0.41 dB/cm,且当多模螺旋波导总长为3.33 cm时,对应的结构尺寸仅为0.42 mm ×0.42 mm。最后,总结了全文的主要工作内容,并对各项工作的后续研究进行了展望。
庄煜阳[6]（2020）在《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》文中指出随着物联网、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（2D-FDTD）和二维有限元法（2D-FEM）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体波分复用/解复用器的信道间隔最小可达0.8 nm。（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了耦合传输谱的剧烈抖动。对比了纳米线波导型模分复用/解复用器的传输特性,发现后者拥有相对平滑的耦合传输谱,因此更适用于波分-模分混合复用/解复用器件。（5）提出了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。数值仿真结果表明,该类型器件不仅具有小波长信道间隔（0.8 nm）、大自由光谱范围（500 nm）以及低插入损耗（1.0 d B）的性能特点,还具有非常紧凑的结构。综上所述,本文研究了波分和模分复用/解复用器件中的耦合模理论,构建了微腔-波导耦合简化模型,提出了抑制模式串扰的方案,并探讨了模式匹配对微腔-波导耦合特性的影响。基于理论分析,设计了具有大自由光谱范围和小信道间隔的光子晶体波分复用/解复用器件,并对比研究了光子晶体波导型和纳米线波导型模分复用/解复用器件的耦合传输谱。最后提出了基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用器件,其同时具有小波长信道间隔、大自由光谱范围和低插入损耗的性能特点。这些学术成果对高速大容量波分-模分混合复用光通信系统以及光子集成芯片的发展具有重要的意义。
王心怡[7]（2020）在《基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究》文中提出硅基光电子集成芯片具有尺寸小、集成度高等优点。近年来,它们受到了学术界的广泛关注。随着各类硅基光电子分立器件性能的提高,人们越来越不满足于单一器件的功能实现,而是往大规模集成化方向发展,即把多个电子和光子分立元件集成在同一芯片上,实现复杂的功能。硅基光电子技术以其高集成度和互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的优势,近些年来在数据通信等领域发挥着重要作用。基于硅光技术,人们对各种类型的激光器、调制器、探测器和光开关展开了深入研究。光延迟线在光通信领域具有很好的应用前景,基于延迟线结构的脉冲复用可以提高光脉冲的重复率,从而生成高频脉冲。高频脉冲在数据通信、光子信号处理、光学模数转换等领域中起着重要作用。本文对基于光延迟线结构的片上集成光子器件进行了研究。利用多种光脉冲交织复用方式,实现了脉冲重复率的提升,可用于对微波信号的高速光采样。首先,论文介绍了延迟线芯片的基本概念和参数指标,并讨论了其具体结构和实现方案。从延迟调节范围、调节精度、传输损耗、功耗和芯片尺寸等角度出发,阐明了延迟线的结构特征,为下文各种脉冲交织器的实现提供理论依据。接着,论文从脉冲复用方式入手,分别研究了波分复用（WDM）和模分复用（MDM）的几个关键器件,并介绍了各种器件结构的工作原理和设计方案。对于MDM器件,本文分析了波导中支持的多种模式,并对波导耦合生成的高阶模式进行了仿真分析。本文还对波长-模式交织器所用到的分立器件和整个系统进行了仿真,证明了波长-模式交织方案的可行性。接着,为了实现脉冲的时分复用,本文提出了一种连续可调的延迟线,该延迟线结合了环形谐振器和马赫-增德尔干涉仪（MZI）开关阵列。开关阵列提供大范围数字式延迟调节,而微环则提供小范围延迟微调。开关采用MZI级联结构,提高了开关消光比。延迟线芯片在60 nm厚的硅波导平台上实现,平均波导损耗为0.35 d B/cm。最大延迟调节范围为1.28 ns,片上插入损耗为12.4 d B,包括由测试端口引起的损耗。在不同延迟时间下,30 Gbps开关键控（OOK）信号通过延迟线芯片传输具有较高的信号保真度。该光学延迟线芯片具有可重构性,可以用于调整脉冲序列。光脉冲多路复用基于延迟线芯片实现,开关被设置为均匀分光比。这样的光时分复用（OTDM）方案可用于产生高重复率脉冲串,可应用于光学采样。调整开关分光比和可调光衰减器（VOA）的衰减值提供不同的脉冲幅度时,可实现准任意波形生成（QAWG）。基于延迟线芯片实现OTDM和QAWG,证明了该芯片的灵活性和可重构性,能作为可编程光信号处理器使用。本文还对如何进一步提升延迟线芯片性能进行了讨论。随后,本文提出并实现了一个基于硅光集成平台的8通道波长-模式光脉冲交织器。波长和模式复用技术相结合,可以提高脉冲的重复率,而同时又不会增加单维度复用的复杂性。交织器使用级联MZI结构作为波分复用（解复用）器,将非对称定向耦合器用作模式复用（解复用）器,并将各种长度的硅波导用作延迟线。论文对交织器各个分立器件参数（如波导损耗、延迟误差和通道带宽等）对交织脉冲的损耗、延迟间隔、峰值能量、脉冲宽度和串扰等一系列指标影响进行了研究,为交织器的实现奠定了基础。实验验证了脉冲序列具有125 ps的时间间隔,延迟误差为3.2%。然后,本文在波长-模式交织器的基础上,将脉冲幅度调节和高速采样功能纳入,构成了一个硅光集成的光学采样系统。高重复率光学采样脉冲是通过将低重复率输入光脉冲与WDM和MDM相结合而获得的。WDM脉冲交织器由具有线性差分延迟的反馈型阵列波导光栅（AWG）构成。它可以实现自动波长对准,且结构紧凑、色散大、损耗低。交织脉冲的幅度可以通过反馈波导中的衰减器进行调节。多模波导中的两个高阶模用来进一步提高脉冲重复率。光学采样脉冲被多模MZI调制器调制,调制器两臂集成了“L型”PN结,提高了调制效率。采样后的脉冲由模式和波长解复用器分开,后端再做并行处理。多模调制器可以实现30 Gb/s OOK调制。多波长脉冲使用由双环耦合马赫-增德尔干涉仪（DR-MZI）构成的WDM滤波器分离,该结构具有较高的消光比。模分复用脉冲交织和分离是由非对称定向耦合器构成的模式复用（解复用）器完成。由于同时使用了波长和模式复用技术,因此脉冲重复率可以大幅提高。在实现的集成芯片中,脉冲重复率提高了8倍,这受限于后端WDM滤波器的数量。所有功能模块,包括高速调制器、偏振分束器、旋转器、延迟线以及WDM和MDM器件,都集成到了单个硅光集成芯片中,充分利用了硅光的集成能力。高速采样芯片的成功研制为在单片上实现模数转换提供了基础。论文最后对研究课题做出了总结,针对硅基脉冲交织器提出了未来研究工作展望。
李晨蕾[8]（2020）在《硅基片上模场调控器件研究》文中认为随着全球新型冠状病毒肺炎的爆发,人们不得不面临着居家、宵禁、隔离一系列的问题,疫情对整个社会的运转产生了严重的影响。于此同时,人们利用互联网进行线上沟通交流的需求更是越来越多,在线网络课程课以及虚拟会议也正在推动着对互联网数据中心的投资。硅基集成光子芯片由于其低损耗、结构紧凑、CMOS工艺兼容等一系列优势,正作为光通信、光互联的技术支持吸引着越来越多的关注和研究。为了实现更高效快速大容量的硅基集成光子芯片,我们仍需要进一步提升其器件性能、降低波导损耗、进一步扩大光互联的数据传输容量,除了已经成熟的波分复用以外,还可以发展偏振复用、模式复用技术以及混合复用技术;本文首先基于多模复用系统,提出并实现了一系列高性能的片上多通道模式调控器件;然后利用波导的双折射效应,提出并实现了一些高性能偏振调控器件;最后,通过调节波导的结构色散,并利用了铝镓砷材料的非线性特性,设计出了高效的中红外波段光学频率梳,为实现片上集成型光学频率梳光源提供了潜在解决方案。首先,在多模调控方面:我们提出了一种基于双核绝热锥形结构,这一结构利用了超模演化现象,即可以将入射且限制在宽核波导中的高阶超模,经绝热过程逐渐转化为限制在窄核波导中的高阶超模,并通过绝热弯曲波导将其进一步转化为基模输出。利用该结构,首先在50nm的超薄硅波导上实现了三通道的模式复用/解复用器,实现了在宽带1520nm～1585nm的波长范围内,小于-20dB的串扰,降低了附加损耗（小于-0.2dB）;接着,利用类似的双核绝热锥形结构,与高性能的偏振分束器结合,实现了双偏振的十通道模式-偏振混合（解）复用器,由于绝热渐变结构的特性,最终实现了所有TM和TE模式通道在～90nm的宽波段内具有较低的串扰（-15～-25dB）和较低的附加损耗（0.2～1.8dB）,是当时通道数最多的模式复用器;为了进一步减小器件尺寸,增加器件布局的灵活性,本文在十通道模式复用器的基础上,设计了能够支持十通道模式的紧凑型多模弯曲波导,利用欧拉曲线弯曲波导,实现相对较小的等效弯曲半径,实验最终实现了半径仅为40μm的多模弯曲波导,并进行了数据传输实验;最后,为了进一步提高多模片上光互联的灵活性,本文设计了三通道的任意通道上传-下载复用器,利用亚波长光栅波导的色散调控特性,能在总线波导不变的条件下,下载/上传任意模式通道,并实现了在最大60 nm的带宽中三种模式消光比大于15 dB,在最大100 nm的带宽中附加损耗小于0.32 dB。第二,在偏振调控方面:在340nm的SOI平台上,单模波导双折射效应相对较弱,偏振复用器件设计存在困难。我们针对这一问题提出了一系列的解决办法。首先利用一种三波导级联的结构设计了一种偏振分束器,通过精确控制三波导间的间隔来调节两种偏振态的模场重叠因子进而调节耦合强度,使得TM模式能够完全耦合到另一端输出,而TE模式在此耦合长度下产生耦合的强度最小,因此将两个模式分开;接着又设计了一种亚波长光栅波导辅助型非对称定向耦合结构的偏振分束器,利用了亚波长光栅的偏振选择性,增强了波导的双偏振的有效折射率差,进而增强了波导的双折射效应,同时,由于亚波长光栅能够有效增强光场的相互作用,因此有助于增强器件的紧凑型,最终实现了长度仅为2μm的超紧凑型偏振分束器;最后,为了进一步增强器件的性能,提高器件的工艺容差,将亚波长光栅波导与双核绝热锥形结构相结合,以亚波长光栅波导作为桥梁,TE模式根据超模演化理论,首先耦合到亚波长光栅波导中,然后由对称结构耦合到输出波导中进行输出,而TM模式由于强模式失配而不发生耦合现象,并从原来的波导中输出。利用绝热结构实现了超高带宽的低损耗偏振分束器,并得益于级联三波导耦合结构,进一步提高了器件的消光比,在一次刻蚀的简单工艺过程下,该器件实现了测得的TM和TE偏振的附加损耗分别为0.1～0.6dB和0.3～1dB,而测得的消光比分别大于20dB和25dB的带宽约为240nm和220nm,这比以前的结果要高得多。器件的损耗-1dB带宽也高达230nm,这比以前基于340nm SOI波导的PBS大得多。最后,本文利用模式杂化和超模演化提出一种紧凑型偏振分束-旋转器,该器件具有较大的工艺容差,且对TE和TM两种偏振态均可实现在1520～1610nm带宽范围内大于20dB的消光比。第三,利用模场的色散调控,我们基于硅基-铝镓砷平台,通过对光波导结构色散性能的分析,利用材料三阶非线性效应,设计出有一种基于高品质因子微腔的中红外波段光学频率梳,有效解决了由于高折射率差引起的带宽限制问题。同时,得益于铝镓砷超高三阶非线性系数以及高折射率差引起的高模场的限制能力,设计器件能够实现低阈值,高转换效率。为实现片上集成型光学频率梳光源提供了潜在解决方案。最后,对全文的主要工作做出了总结,并对各种硅基片上模场调控工作做出展望。
郑爽[9]（2020）在《光场物理维度调控的光子集成器件研究》文中指出光场具有多个物理维度资源,包括光的波长/频率、幅度、相位、偏振、时间以及空间结构等,已经广泛应用于与光相关的各个领域。其中,在光通信领域,为进一步提升光通信系统的通信容量,与光波长维度相关的波分复用技术已被广泛使用,与空间结构相关的空分/模分复用技术也被视为一种极有前景的解决方案。传统用来操控光场的光学器件大多存在功能单一、集成度不高、可重构和可调谐性不足等缺点,不利于光通信系统中的灵活管理。相比之下,近年来,新兴的硅基光子集成技术快速发展,以其与CMOS兼容、高集成度等突出优点引起了广泛关注,为光与电的真正融合提供了新的平台和契机,大大促进了光电子集成技术的发展。本文主要研究利用光子集成器件对光波长、常规波导模式和结构光场等维度的调控,具体内容如下:（1）理论和实验研究了硅基光子集成器件对波长/频率维度的调控。（1）理论和实验研究了基于法布里-珀罗（Fabry–Pérot,FP）谐振腔的可调谐梳状滤波器,其中通过调控萨格纳克（Sagnac）环的反射和透射系数,实现对滤波器波长和带宽的调控。（2）通过控制微环谐振腔与FP腔之间的耦合状态,理论和实验实现了片上法诺（Fano）共振和电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）谱型。（3）实验制备了多功能处理器,通过集成两个16通道阵列波导光栅和16个可全场调控的马赫-曾德尔干涉仪结构（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）,成功实现了间隔可调的可编程滤波器和16通道的可重构上传下载功能,并基于该器件演示了高速信号的传输实验验证。（4）通过借鉴传统电子FPGA（Field Programmable Gate Array）的概念,设计并制备了光“FPGA”结构,实验验证了该器件的可编程能力,包括构建各种滤波器、延时线和光开关等。（2）理论和实验研究了硅基集成器件对常规波导模式的调控。（1）研制了基于微环谐振腔辅助的高阶模式复用器。（2）将Fano共振的概念引入到模式领域,提出了多模Fano共振,理论和实验实现了两模式的Fano共振,并将该器件应用于低功耗的模式光交换。（3）实验制备了片上中红外波段的4模式（解）复用器,并进行了片上模分复用高速通信实验。（3）理论和实验研究了有源和无源集成器件对结构光场的调控。（1）基于简洁的环形光栅结构,理论和实验研究了高阶涡旋光的检测。（2）通过特殊设计凹槽波导结构,理论提出并仿真验证了基于平面硅基波导的涡旋光产生器和复用器。（3）理论和实验研究了高速直调的集成矢量光激光器。基于有源的微环谐振腔结构,通过设计微环腔顶部和侧壁的二阶光栅结构实现了高边模抑制比的单模激射,该激射模式为矢量结构光场。此外,制备的直调激光器速率可达20 Gbits/s,并应用于2 km光纤矢量本征模传输实验。同时,提出了同心环谐振腔结构,可应用于矢量模式高速复用通信。（4）基于硅基光子集成平台,设计制备了多维度光发射阵列,实现对光场空间幅度、相位、偏振三个维度的动态独立调控。制备了4×4光发射阵列,通过对超过70个电极控制单元的调控,实验测得了各种复杂光场的产生结果,包括±1和±2阶涡旋光、高阶邦加球上8种矢量光场以及更为复杂的矢量涡旋光。
何宇[10]（2020）在《基于亚波长结构的硅基片上复用器件研究》文中提出随着移动办公、云计算、5G、自动驾驶等互联网新业务的出现以及社会信息化进程的快速发展,人类已进入了“大数据”时代。宽带网络和数据中心的信息传输及交换容量在过去4年内增长了10倍以上,高于传统的摩尔定律,这对未来通信技术提出了更高的要求。建立大带宽、低时延、高速率、低成本的数据通信网络是通信行业发展的进一步目标。目前光通信传输技术正朝着更高调制速率和频谱效率、更低能耗和更低成本的超大容量光通信系统发展。为提升光纤无线通信网络容量,可充分利用光信号的多个物理维度,如波长、偏振、模式等。其中波分复用技术（Wavelength-division multiplexing,WDM）,以不同波长加载不同信号,可有效提升传输效率,是目前应用最广泛的复用技术。但在WDM系统中需要使用多个单色激光器,极大的增加了成本,且光通信频谱带宽有限,这些因素限制了WDM技术向更多的信道数拓展。在面对远超WDM技术所能提供带宽的问题下,空分复用、模分复用、偏振复用等方式先后提出。其中,模分复用、偏振复用在解决上述数据容量瓶颈问题的同时可以实现更小的体积、更高的信息密度,因而成为研究热点。然而目前单一复用方式已经无法满足不断增长的巨大数据容量需求,而模式复用同偏振复用技术有很好的兼容性,多种复用方式混合使用可以实现更大带宽的光链路,可以有效提高光的信息密度。本文从硅基波导中波动方程及模耦合理论出发,研究了片上多维复用技术。通过设计新的器件结构,引入亚波长光栅结构器件,实现多个具有多通道数、易拓展的模式、偏振、波长复用器件。本文的研究成果和创新点概括如下:1.基于亚波长光栅结构的模式复用器件模式复用器是未来大容量片上光通信芯片中不可或缺的结构单元,其可利用波导中的模式维度有效拓展信道数量,实现大容量光交换、传输。现有的模式复用器存在着模间串扰较高、工艺容差性能差及拓展性差的诸多问题。为此我们引入亚波长光栅结构,设计并实现了两种模式复用相关器件:1)基于亚波长光栅的11通道模式复用器:首次提出并实验验证了基于亚波长光栅（Subwavelength grating,SWG）定向耦合器的模式复用结构,可支持TE0～TE10共11路的模式信道的复用解复用功能,为目前已报道的最高阶多通道模式复用器件。器件测试得到良好的插损、串扰性能指标。得益于SWG结构有效折射率灵活可调的特性,我们所提出的模式复用解复用器对波导宽度变化有一定的容忍度。我们实验验证了该结构用于模式复用器件的工艺容差特性。2)基于光栅反向耦合器的模式阻塞器:首次提出并实验演示了一种基于SWG反向耦合器的模式阻塞器结构。该器件可用于滤除多模波导中任意模式而不影响其他模式的正常传输,达到任意模式滤除的目的。这项工作可被应用于MDM系统中,在某一模式信道被下载后滤除其残余信号,从而降低整体器件的串扰,提升MDM系统数据传输质量。作为概念性的演示实验,我们制备了两种模式阻塞器,TE0模式阻塞器和TE1模式阻塞器,分别可滤除总线波导中TE0模式和TE1模式。该器件有良好的拓展性,可通过设计反向耦合器参数实现任意阶模式滤除的目的。2.基于亚波长结构的偏振控制器件由于绝缘体上硅（Silicon-on-insulator,SOI）结构波导和包层间显着的折射率差异导致了硅基器件的偏振色散及相关损耗。偏振分集方案是一种有效的解决思路,其中使用的重要结构单元有偏振分束器（Polarization beam splitter,PBS）、偏振旋转器（Polarization rotator,PR）等。为提升现有偏振相关器件性能,我们引入亚波长结构用于优化器件工艺容差、降低偏振消光比等。针对这一目标我们设计并实现了两种偏振控制器件:1)基于亚波长光栅结构的偏振分束旋转器:实验验证了基于SWG定向耦合器结构的偏振分束旋转器,可实现TE/TM偏振光的分束及将TM旋转为TE出射的功能,可应用于偏振分集系统中。两种偏振光入射情况下均得到良好的插损及PER指标。器件工作带宽可覆盖整个C波段。相比于传统的PSR设计,该结构有较好的工艺容差性能（±40 nm）。2)基于亚波长纳米孔阵列的起偏器:为解决现有的偏振控制器件普遍存在的PER较低的问题,我们首次提出并实验验证了一种超紧凑、超宽带的基于一维光子晶体纳米孔阵列结构的TM起偏器。器件带宽可覆盖1380 nm至1625 nm的波长范围。该器件为目前基于CMOS工艺实现的偏振起偏器中最紧凑结构,器件长度仅为7.21μm。该设计可有效提升片上偏振相关器件性能指标。3.基于亚波长结构的多维复用器为进一步提升复用技术信道数量以满足大容量数据传输、交换的需求,我们在前几项工作的基础上结合MDM及PDM技术,并引入WDM以实现三个复用维度的混合复用功能。借助于SWG反向耦合器的设计,我们提出并实验验证了一种8通道波长、模式、偏振混合复用器件。本章工作创新点包括:1)首次提出了一种基于SOI基底的三维度复用技术,结合波长、模式、偏振三个复用维度;2)实验验证了8通道波长、模式、偏振复用/解复用功能,证明了多个复用维度混合复用的可行性。
二、Optim ization of a 1×8 Arrayed-Waveguide Grating Multi/Dem ultiplexer（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、Optim ization of a 1×8 Arrayed-Waveguide Grating Multi/Dem ultiplexer（论文提纲范文）
（1）片上集成多维光互连和光处理（论文提纲范文）
| 1 引 言 |
| 2 片上集成多维光互连 |
| 2.1 多维光信号的片上数据传输 |
| 2.2 光信号的片上多维复用互连 |
| 2.3 光互连的核心集成器件 |
| 2.4 光互连的异构波导耦合 |
| 2.5 光互连的光子集成芯片/光模块 |
| 3 片上集成多维光处理 |
| 3.1 片上波长转换 |
| 3.2 片上光学频率梳 |
| 3.3 片上模式处理 |
| 3.4 片上偏振处理 |
| 3.5 片上光逻辑和光计算 |
| 3.6 片上可重构光处理 |
| 3.7 片上智能光处理 |
| 4 总结和展望 |
| 1)多材料体系： |
| 2)多集成方式： |
| 3)多物理维度： |
| 4)多频段： |
| 5)多媒介： |
| 6)多功能： |
| 7)多应用场景： |
（2）面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 缩写和符号清单 |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基集成光子学概述 |
| 1.2 光互联中的多维复用 |
| 1.2.1 波分复用技术概述 |
| 1.2.2 偏振复用技术概述 |
| 1.2.3 模式复用技术概述 |
| 1.2.4 空间多维光通信技术概述 |
| 1.3 硅基亚波长结构集成光子器件的产生与发展 |
| 1.4 本文内容和创新点 |
| 2 硅基纳米波导与硅基亚波长结构的特性分析与数值仿真方法 |
| 2.1 硅基纳米波导的特性分析 |
| 2.1.1 基于有限差分频域方法的模式特性分析 |
| 2.1.2 基于有限差分时域方法的传输特性分析 |
| 2.2 硅基亚波长结构的特性分析 |
| 2.2.1 基于等效介质理论的折射率特性分析 |
| 2.2.2 基于平面波展开方法的能带特性分析 |
| 2.3 本章小结 |
| 3 硅基集成光子器件的制作与测试 |
| 3.1 硅基集成光子器件的制作流程 |
| 3.2 基于光栅耦合器的垂直耦合测试系统 |
| 3.3 本章小结 |
| 4 基于各向异性调控与色散调控的硅基偏振维度相关器件 |
| 4.1 基于亚波长光栅异质结的超宽带硅基偏振分束器 |
| 4.1.1 超宽带硅基偏振分束器设计 |
| 4.1.2 器件制作与性能测试 |
| 4.1.3 各类硅基偏振分束器的性能对比 |
| 4.2 基于亚波长光栅/弯曲波导混合结构的超宽带硅基起偏器 |
| 4.2.1 超宽带硅基起偏器设计 |
| 4.2.2 器件制作与性能测试 |
| 4.2.3 各类硅基起偏器的性能对比 |
| 4.3 基于亚波长光栅/缺角波导混合结构的超宽带硅基偏振旋转器 |
| 4.3.1 超宽带硅基偏振旋转器设计 |
| 4.3.2 各类硅基偏振旋转器的性能对比 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 基于等效介质折射率调控的硅基模式维度相关器件 |
| 5.1 基于浙变折射率模式转换器的硅基多模波导弯曲结构 |
| 5.1.1 多模弯曲传输中的模间串扰问题 |
| 5.1.2 硅基多模波导弯曲结构设计 |
| 5.1.3 低串扰弯曲结构连接的4通道模式复用系统测试 |
| 5.1.4 各类硅基多模波导弯曲结构的性能对比 |
| 5.2 基于Maxwell鱼眼透镜的硅基多模波导交叉结构 |
| 5.2.1 多模交叉传输中的模式相关损耗问题 |
| 5.2.2 硅基多模波导交叉结构设计 |
| 5.2.3 低损耗交叉结构连接的2通道模式复用系统测试 |
| 5.2.4 各类硅基多模波导交叉结构的性能对比 |
| 5.3 基于等效介质薄膜分束镜的硅基多模波导功分器 |
| 5.3.1 多模分束传输中的模间串扰问题 |
| 5.3.2 硅基多模波导功分器设计 |
| 5.3.3 各类硅基多模波导功分器的性能对比 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 基于连续区束缚态的硅基超光栅 |
| 6.1 连续区束缚态简介 |
| 6.2 面向波长维度调控的硅基超光栅滤波器 |
| 6.2.1 硅基超光栅滤波器设计 |
| 6.2.2 器件制作与性能测试 |
| 6.2.3 各类硅基光学滤波器的性能对比 |
| 6.3 面向空间多维光通信的硅基超光栅光学天线 |
| 6.3.1 硅基超光栅光学天线设计 |
| 6.3.2 器件制作与性能测试 |
| 6.3.3 各类硅基光栅天线的性能对比 |
| 6.4 本章小结 |
| 7 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 作者在学期间取得的科研成果 |
（3）高性能硅光滤波器及其应用研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基光电子学 |
| 1.2 硅光滤波器概述 |
| 1.2.1 基于马赫-曾德干涉仪的硅光滤波器 |
| 1.2.2 基于微环谐振器的硅光滤波器 |
| 1.2.3 基于波导布拉格光栅的硅光滤波器 |
| 1.2.4 基于阵列波导光栅的硅光滤波器 |
| 1.2.5 总结 |
| 1.3 本论文主要内容及创新点 |
| 1.3.1 主要内容 |
| 1.3.2 主要创新点 |
| 2 硅基集成光电子器件的理论仿真、制备和测试 |
| 2.1 硅波导光学仿真 |
| 2.1.1 硅波导模式理论 |
| 2.1.2 硅波导模式计算 |
| 2.1.3 硅波导的光场传输计算 |
| 2.2 硅基光电子器件的制备 |
| 2.3 硅基光电子器件的测试 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 基于微环谐振器的硅光滤波器 |
| 3.1 微环谐振器的基本原理 |
| 3.1.1 全通型微环谐振器 |
| 3.1.2 插分型微环谐振器 |
| 3.2 具有超大自由频谱范围的插分型单环滤波器 |
| 3.2.1 结构和设计 |
| 3.2.2 制备和测试 |
| 3.2.3 结果和分析 |
| 3.3 具有超大自由频谱范围的平顶型高阶环滤波器 |
| 3.3.1 结构和设计 |
| 3.3.2 制作和测试 |
| 3.3.3 结果和分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 基于波导布拉格光栅的硅光滤波器 |
| 4.1 波导布拉格光栅滤波器的基本原理 |
| 4.2 2 μm波段的硅基多模波导光栅滤波器 |
| 4.2.1 结构和设计 |
| 4.2.2 制备和测试 |
| 4.2.3 结果和分析 |
| 4.3 基于双光栅的偏振不敏感光学滤波器 |
| 4.3.1 结构和设计 |
| 4.3.2 制备和测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 基于级联多模波导光栅的多通道波分复用器 |
| 5.1 面向短距通信的四通道粗波分复用器 |
| 5.1.1 结构和设计 |
| 5.1.2 加工和测试 |
| 5.1.3 结果和分析 |
| 5.2 面向无源光网络的硅基单纤三向复用器 |
| 5.2.1 结构和设计 |
| 5.2.2 制作和测试 |
| 5.2.3 结果和分析 |
| 5.3 面向无源光网络融合升级的硅基单纤四向复用器 |
| 5.3.1 结构和设计 |
| 5.3.2 制备和测试 |
| 5.3.3 结果和分析 |
| 5.3.4 总结和讨论 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介 |
| 作者在学期间所取得的科研成果 |
（4）硅基片上偏振调控器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1. 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 硅基集成光电子器件概述 |
| 1.3 硅基片上偏振的研究 |
| 1.3.1 偏振分束器(PBS) |
| 1.3.2 偏振旋转器(PR)与偏振旋转分束器(PSR) |
| 1.3.3 实际应用:偏振复用系统 |
| 1.3.4 偏振调控器件总结 |
| 1.4 本文工作及创新点 |
| 1.4.1 章节安排 |
| 1.4.2 创新点 |
| 2. 硅基集成光电子器件的理论,制备及测试方法 |
| 2.1 光波导模式分析 |
| 2.2 使用算法介绍 |
| 2.2.1 时域有限差分算法(FDTD) |
| 2.2.2 本征模展开算法(EME) |
| 2.2.3 粒子群优化算法 |
| 2.3 耦合模理论 |
| 2.3.1 基于“微扰”理论求解耦合系数 |
| 2.3.2. 基于模式干涉理论求解耦合系数 |
| 2.4 集成光波导器件制备工艺 |
| 2.5 器件的测试 |
| 2.6 本章小结 |
| 3. 偏振分束器件 |
| 3.1 使用弯曲定向耦合器结合槽型波导结构的偏振分束器 |
| 3.1.1 研究现状 |
| 3.1.2 结构和设计 |
| 3.1.3 实验及测试结果 |
| 3.2 使用亚波长光栅结构的异常耦合状态PBS |
| 3.2.1 研究现状 |
| 3.2.2 原理及设计思路 |
| 3.2.3 仿真性能 |
| 3.2.4 SiN平台拓展 |
| 3.3 本章小结 |
| 4. 偏振旋转器件 |
| 4.1 使用nano-slot结构的偏振旋转器 |
| 4.1.1 研究现状 |
| 4.1.2 结构和设计 |
| 4.1.3 实验及测试结果 |
| 4.1.4 性能提升方式 |
| 4.2 基于粒子群算法的超紧凑结构偏振旋转-分束器(PSR) |
| 4.2.1 研究背景 |
| 4.2.2 结构和设计 |
| 4.2.3 器件加工与应用场景 |
| 4.3 本章小结 |
| 5. 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 攻读硕士专业学位期间发表的论文 |
（5）硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基集成光电子器件概述 |
| 1.2 硅基集成光电器件复用技术概述 |
| 1.2.1 波分复用技术 |
| 1.2.2 模式复用技术 |
| 1.2.3 偏振复用技术 |
| 1.3 模场调控的集成光子器件概述 |
| 1.4 本文的工作和创新点 |
| 1.4.1 本文的主要内容 |
| 1.4.2 本文的创新点 |
| 2 硅基集成光电子器件的光学仿真,制备及测试 |
| 2.1 光波导模式理论分析 |
| 2.2 光波导模式计算 |
| 2.3 光场传输计算 |
| 2.4 器件的制备及测试 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 基于波导反射镜的多模弯曲波导 |
| 3.1 结构和设计 |
| 3.2 制作和测试 |
| 3.3 结果和分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 基于欧拉弯曲与亚波长光栅的多模弯曲波导 |
| 4.1 结构和设计 |
| 4.2 结果和分析 |
| 4.3 本章小结 |
| 5 基于多模波导的超低损耗波导结构 |
| 5.1 散射损耗计算模型和计算理论 |
| 5.2 结构和设计 |
| 5.3 制作和测试 |
| 5.4 结果和分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及专利 |
（6）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（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 专用术语注释表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 硅基片上复用/解复用器件的研究现状 |
| 1.2.1 硅基片上波分复用/解复用器件 |
| 1.2.2 硅基片上模分复用/解复用器件 |
| 1.2.3 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器件 |
| 1.3 论文的主要研究内容和创新点 |
| 1.3.1 主要研究内容与章节安排 |
| 1.3.2 论文的创新点 |
| 第二章 波分、模分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.1 波分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.1.1 直接耦合型 |
| 2.1.2 侧耦合型 |
| 2.1.3 三端口下载型 |
| 2.1.4 反射壁下载型 |
| 2.1.5 反射腔下载型 |
| 2.2 模分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.2.1 普适的波导间耦合模方程 |
| 2.2.2 单模波导与单模波导耦合的情况 |
| 2.2.3 单模波导与多模波导耦合的情况 |
| 2.3 本章小结 |
| 第三章 模式匹配对光学微腔与波导间耦合特性的影响 |
| 3.1 微腔与波导耦合结构的设计与制作 |
| 3.2 耦合原理分析 |
| 3.3 微腔与波导的侧耦合实验及结果分析 |
| 3.3.1 实验装置的搭建 |
| 3.3.2 实验结果与分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 硅基光子晶体波分复用/解复用器件 |
| 4.1 基于一维光子晶体纳米梁腔的波分复用/解复用器 |
| 4.1.1 一维光子晶体纳米梁腔 |
| 4.1.2 双信道波分复用/解复用器的理论模型 |
| 4.1.3 双信道粗波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.1.4 双信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.2 基于二维光子晶体双反射壁腔的波分复用/解复用器 |
| 4.2.1 双反射壁腔型滤波器的理论模型 |
| 4.2.2 双反射壁腔型滤波器的结构设计与性能分析 |
| 4.2.3 三信道密集波分复用/解复用器的理论模型 |
| 4.2.4 三信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.2.5 性能优化 |
| 4.3 基于二维光子晶体双色腔的波分复用/解复用器 |
| 4.3.1 基于Aubry-André模型的二维光子晶体双色腔 |
| 4.3.2 双信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 硅基光子晶体及纳米线波导模分复用/解复用器件 |
| 5.1 硅基光子晶体波导模分复用/解复用器 |
| 5.1.1 光子晶体波导的模式耦合特性 |
| 5.1.2 光子晶体模分复用/解复用器的理论模型与结构设计 |
| 5.1.3 光子晶体模分复用/解复用器的耦合传输谱研究 |
| 5.2 硅基纳米线波导模分复用/解复用器 |
| 5.2.1 纳米线波导的模式耦合特性 |
| 5.2.2 纳米线波导模分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器件 |
| 6.1 硅基片上粗波分-模分混合复用/解复用器 |
| 6.1.1 四信道粗波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.1.2 四信道粗波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.2 硅基片上密集波分-模分混合复用/解复用器 |
| 6.2.1 四信道密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.2.2 四信道密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.3 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器的信道数目拓展 |
| 6.3.1 九信道密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.3.2 九信道密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.4 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器的信道间隔缩小 |
| 6.4.1 小信道间隔的密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.4.2 小信道间隔的密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.5 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 全文总结 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间撰写的论文 |
| 附录2 攻读博士学位期间申请的专利 |
| 附录3 攻读博士学位期间参加的科研项目 |
| 致谢 |
（7）基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 硅基集成光电子器件 |
| 1.2 集成光延迟芯片 |
| 1.2.1 集成光延迟芯片的背景与应用 |
| 1.2.2 集成光延迟芯片的实施方法 |
| 1.2.3 集成光延迟芯片的研究现状 |
| 1.3 时间交替高重频脉冲生成器 |
| 1.3.1 高频脉冲的应用 |
| 1.3.2 时间交织高重频脉冲生成器的研究现状 |
| 1.3.3 时间交织高重频脉冲生成器的面临问题 |
| 1.4 本论文结构安排及主要内容 |
| 第二章 基于延迟线结构的硅基波长-模式脉冲交织核心元件设计 |
| 2.1 硅基光延迟线 |
| 2.1.1 硅基光波导 |
| 2.1.2 移相器和可调衰减器的设计 |
| 2.1.3 光延迟芯片架构设计 |
| 2.1.4 光延迟芯片分析与讨论 |
| 2.2 波长与模式复用器件 |
| 2.2.1 波分复用器件 |
| 2.2.2 模分复用器件 |
| 2.3 基于延迟线的脉冲波长-模式复用器模型与仿真 |
| 2.3.1 脉冲复用分立模型的仿真 |
| 2.3.2 脉冲复用整体模型的仿真 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 大范围连续可调超薄硅波导光延迟线 |
| 3.1 延迟线的设计 |
| 3.2 实验验证 |
| 3.2.1 单级和双级MZI开关的比较 |
| 3.2.2 光延迟特性 |
| 3.2.3 OTDM和 QAWG实验 |
| 3.3 进一步提升光延迟芯片性能的讨论 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 硅基波长-模式脉冲交织器 |
| 4.1 波长-模式脉冲交织器 |
| 4.1.1 脉冲交织器的设计 |
| 4.1.2 不同参数对脉冲交织模型的影响 |
| 4.2 实验验证 |
| 4.2.1 波长脉冲交织器 |
| 4.2.2 波长-模式脉冲交织器 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 硅基波长-模式脉冲交织高速光采样 |
| 5.1 波长-模式脉冲交织光学采样架构 |
| 5.1.1 整体架构 |
| 5.1.2 核心组件的设计 |
| 5.2 实验验证 |
| 5.2.1 波分脉冲交织器 |
| 5.2.2 WDM带通滤波器组 |
| 5.2.3 多模EO调制器 |
| 5.3 总体性能评估 |
| 5.4 脉冲交织器的应用前景讨论 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 研究展望 |
| 参考文献 |
| 附录一 符号与标记 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间已发表或录用的论文 |
| 攻读博士学位期间参与的科研项目 |
（8）硅基片上模场调控器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 缩写和符号清单 |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 硅基集成光电子器件概述 |
| 1.3 硅基片上模场调控的研究 |
| 1.3.1 多模光子器件 |
| 1.3.2 偏振调控器件 |
| 1.3.3 片上混合复用技术 |
| 1.3.4 色散调控—片上光频梳 |
| 1.4 亚波长光子学器件的研究 |
| 1.5 本文工作及创新点 |
| 1.5.1 章节安排 |
| 1.5.2 本文创新点 |
| 2 硅基集成光电子器件的理论,制备及测试方法 |
| 2.1 硅基集成光波导理论 |
| 2.2 硅纳米线波导的基本特征 |
| 2.2.1 波导偏振色散 |
| 2.2.2 波导模式色散 |
| 2.2.3 波导结构色散和材料色散 |
| 2.2.4 克尔光频梳中的色散问题 |
| 2.3 工艺制备方法 |
| 2.4 器件的测试 |
| 3 硅基集成模式调控器件 |
| 3.1 基于超薄硅的低损耗低串扰模式复用解复用器 |
| 3.1.1 结构和设计 |
| 3.1.2 实验以及测试结果 |
| 3.2 十通道双偏振的模式复用解复用器 |
| 3.2.1 结构和设计 |
| 3.2.2 实验与测试结果 |
| 3.3 紧凑型十模式多模弯曲波导 |
| 3.3.1 结构与设计 |
| 3.3.2 实验与测试结果 |
| 3.4 多模任意通道光插分复用器 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 硅基集成偏振调控器件 |
| 4.1 基于三波导非对称耦合器的偏振分束器 |
| 4.1.1 结构和设计 |
| 4.1.2 实验与测试结果 |
| 4.2 基于亚波长光栅波导非对称定向耦合的紧凑型偏振分束器 |
| 4.2.1 结构和设计 |
| 4.2.2 实验与测试结果 |
| 4.3 基于亚波长光栅波导的超宽带偏振分束器 |
| 4.3.1 结构和设计 |
| 4.3.2 实验与测试结果 |
| 4.4 硅基低串扰宽带偏振旋转分束器 |
| 4.4.1 结构与设计 |
| 4.4.2 实验与测试结果 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 基于徽环谐振腔的中红外的光学频率梳 |
| 5.1 铝镓砷纳米线波导 |
| 5.2 波导结构参数选择 |
| 5.3 谐振腔设计 |
| 5.4 光频梳的仿真结果 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介 |
（9）光场物理维度调控的光子集成器件研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 光子集成器件光场维度调控研究进展 |
| 1.3 本论文的工作及创新点 |
| 1.4 本论文的课题来源 |
| 2 光子集成单元器件及光场调控理论基础 |
| 2.1 微环谐振器 |
| 2.2 马赫-曾德尔干涉仪 |
| 2.3 阵列波导光栅 |
| 2.4 波导模式复用解复用器 |
| 2.5 光场调控与结构光场 |
| 2.6 本章小结 |
| 3 光子集成器件的设计、制备和测试 |
| 3.1 光子集成单元器件的设计仿真 |
| 3.2 硅基光子集成器件的工艺制备 |
| 3.3 硅基光子集成器件的性能测试及优化 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 用于波长维度调控的硅基光子集成器件研究 |
| 4.1 硅基可调谐梳状滤波器 |
| 4.2 硅基片上Fano和EIT效应 |
| 4.3 硅基光子集成FPGA |
| 4.4 可重构硅基光子集成信号处理器件 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 用于波导模式维度调控的硅基光子集成器件研究 |
| 5.1 硅基微环辅助的模式复用解复用器 |
| 5.2 硅基波导模式复用解复用器 |
| 5.3 基于多模Fano效应的硅基低功耗模式光交换 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 用于结构光场调控的光子集成器件研究 |
| 6.1 基于环形光栅的涡旋光检测 |
| 6.2 基于平面硅基波导的涡旋光产生器 |
| 6.3 高速直调集成矢量光激光器 |
| 6.4 硅基多维度结构光场调控光子芯片 |
| 6.5 本章小结 |
| 7 总结与展望 |
| 7.1 工作总结 |
| 7.2 工作展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间发表主要论文目录 |
| 附录2 中英文缩写对照表 |
（10）基于亚波长结构的硅基片上复用器件研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 硅基集成光子学概述 |
| 1.2 面向光互连的硅基光子芯片 |
| 1.3 硅基光芯片多维复用技术 |
| 1.3.1 模分复用技术及其研究现状 |
| 1.3.2 偏振分集方案及其研究现状 |
| 1.3.3 多维复用技术 |
| 1.4 亚波长光栅波导结构 |
| 1.4.1 亚波长光栅结构及其原理 |
| 1.4.2 亚波长光栅器件研究现状 |
| 1.5 本文的研究工作和创新点 |
| 1.6 本文的章节安排 |
| 1.7 参考文献 |
| 第二章 硅基光波导基本理论及数值仿真计算方法 |
| 2.1 SOI平台硅基光波导结构 |
| 2.2 硅波导中本征模式 |
| 2.2.1 麦克斯韦方程组及波动方程 |
| 2.2.2 硅基波导模场分布 |
| 2.2.3 时域有限差分法 |
| 2.3 波导耦合模理论 |
| 2.4 本论文拟解决的问题以及解决方案 |
| 2.5 本章小结 |
| 2.6 参考文献 |
| 第三章 基于亚波长光栅结构的模式复用器件 |
| 3.1 研究背景 |
| 3.2 基于亚波长光栅的11通道模式复用器 |
| 3.2.1 器件结构及工作原理 |
| 3.2.2 结构仿真及优化 |
| 3.2.3 器件加工工艺及流程 |
| 3.2.4 实验结果及工艺容差分析 |
| 3.2.5 局限性及改进方案 |
| 3.3 基于光栅反向耦合器的模式阻塞器 |
| 3.3.1 器件结构及工作原理 |
| 3.3.2 结构仿真及优化 |
| 3.3.3 实验结果 |
| 3.4 本章小结 |
| 3.5 参考文献 |
| 第四章 基于亚波长结构的偏振控制器件 |
| 4.1 研究背景 |
| 4.2 基于亚波长光栅结构的偏振分束旋转器 |
| 4.2.1 器件结构 |
| 4.2.2 仿真及优化 |
| 4.2.3 器件加工及测试 |
| 4.2.4 工艺容差分析 |
| 4.3 基于纳米孔阵列的起偏器 |
| 4.3.1 器件结构及工作原理 |
| 4.3.2 仿真及优化 |
| 4.3.3 器件加工及测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 4.5 参考文献 |
| 第五章 基于亚波长结构的多维复用器 |
| 5.1 研究背景 |
| 5.2 器件结构及原理 |
| 5.3 仿真及优化 |
| 5.4 实验加工测试 |
| 5.5 本章小节 |
| 5.6 参考文献 |
| 第六章 总结和展望 |
| 6.1 工作总结和创新点 |
| 6.2 工作展望 |
| 附录 缩略语 |
| 攻读博士学位期间已发表或录用的论文 |
| 攻读博士学位期间申请的发明专利 |
| 攻读博士学位期间参与的科研项目 |
| 致谢 |
四、Optim ization of a 1×8 Arrayed-Waveguide Grating Multi/Dem ultiplexer（论文参考文献）
- [1]片上集成多维光互连和光处理[J]. 王健,曹晓平,张新亮. 中国激光, 2021(12)
- [2]面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究[D]. 许弘楠. 浙江大学, 2021(01)
- [3]高性能硅光滤波器及其应用研究[D]. 刘大建. 浙江大学, 2021(01)
- [4]硅基片上偏振调控器件研究[D]. 刘芯雨. 浙江大学, 2021(09)
- [5]硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究[D]. 王依. 浙江大学, 2021(09)
- [6]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[D]. 庄煜阳. 南京邮电大学, 2020
- [7]基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究[D]. 王心怡. 上海交通大学, 2020(01)
- [8]硅基片上模场调控器件研究[D]. 李晨蕾. 浙江大学, 2020(02)
- [9]光场物理维度调控的光子集成器件研究[D]. 郑爽. 华中科技大学, 2020
- [10]基于亚波长结构的硅基片上复用器件研究[D]. 何宇. 上海交通大学, 2020(01)