人們對高速大容量信息處理技術的強烈需求促使片上光學復用技術迅速發(fā)展。在眾多光學復用技術中,模式復用技術因其能較低成本、較大規(guī)模地集成各種模式處理器件到光網(wǎng)絡中以數(shù)倍提升通信容量而廣受關注。為了進一步滿足多功能化、靈活化和智能化的高速大容量光網(wǎng)絡應用需求,研究新型可重構的模式處理器件顯得尤其重要。本文從這一重大需求出發(fā),從模式的產生、復用以及交換三個角度設計并驗證了幾種關鍵的可重構模式處理器件,包括可重構模式轉換器、可重構模式復用器和可重構模式交換器。作為基本結構單元,光波導是所有集成光學器件的基礎,因此本文首先對光波導的相關理論進行了介紹,在此基礎上探討了耦合模理論與相位匹配條件,并研究了設計器件時需要用到的微環(huán)諧振器和多模干涉耦合器的理論模型。在模式產生方面,針對目前大部分模式轉換器只能實現(xiàn)固定的模式轉換問題,本文提出并驗證了兩種能選擇性輸出特定模式的可重構模式轉換器。其一是基于級聯(lián)多模干涉耦合器設計的能在基模和一階模之間選擇性輸出一個或兩個模式的器件,對該器件進行模擬仿真的結果表明,該器件在TE₀模輸出、TE₁模輸出、TE₀

【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

世界上第一塊集成電路

并正如火如荼地發(fā)展。片上光互連技術的實現(xiàn)方式主要集中在兩種襯底材料上，一種是 III-V 族襯底如銦磷（InP）或砷化鎵（GaAs）等，另一種是 IV 族材料如絕緣襯底上硅（SOI:Silicon-on-Insulator）等。InP 和 GaAs 的研究起步較早，目前技術相對成熟，但其生長成本比較高。其次，由于 InP 基波導器件的芯層和包層折射率差較小，很難做到非常小的波導彎曲，進而器件整體尺寸較大，不利于大規(guī)模集成。SOI 材料得益于硅作為地球上含量第二多的元素，其成本較為低廉，且 SOI 器件的制作與現(xiàn)有成熟的 CMOS 工藝兼容，波導的芯層和包層折射率差較大，使得器件尺寸較小，能夠實現(xiàn)大規(guī)模片上集成，因此，基于硅基光子學的 SOI 器件是未來片上光互連與信息處理的主要發(fā)展方向[10-13]。1985 年，美國麻省大學波士頓分校（University of Massachusetts Boston）的理查德·索勒夫（Richard Soref）首次提出并驗證了全單晶硅波導可以用來作為通信波段的導波材料[14]。相比于 III-V 族材料（如 InP），SOI 波導的傳輸損耗至少要小一個量級[11]。為了實現(xiàn)高速率、大容量、低延遲、低損耗以及芯片尺度的

1.2.1 硅基片上激光器硅的價帶頂與導帶底在 k 空間不同位置處，是間接帶隙半導體，其內量子效率 約為 10-5~10-6。硅的價帶上的電子不能直接躍遷到導帶上，需要間接躍遷。由于間接躍遷過程中除了發(fā)射光子外還需要聲子的參與，因此，相對來說間接躍遷的概率比直接躍遷小很多，故硅的發(fā)光效率比較低，長期以來很難直接利用硅來實現(xiàn)片上激光器。2005 年，美國布朗大學（Brown University）的科學家通過在硅上周期性地刻蝕一些直徑為 110 nm 的納米孔陣列結構形成缺陷中心，從而實現(xiàn)了光的受激發(fā)射和光增益[19]。這種方式的缺點是只有在溫度低于 80K 時才能起作用。同年，英特爾公司（Intel）的科學家在《Nature》雜志連續(xù)發(fā)表兩篇文章報道了一種純硅的拉曼激光器[20-21]。該激光器結構如圖 1.3（a）所示，其原理是通過輸入一束功率密度很高的泵浦光到施加反向偏壓的 PIN 型硅波導中，使泵浦光與硅原子發(fā)生拉曼散射，泵浦光的高能量將被硅吸收后，硅原子發(fā)生振轉能級躍遷，并將泵浦光轉換為滿足拉曼諧振頻率的斯托克斯波長光，之后再通

【參考文獻】：
博士論文
[1]硅基微環(huán)諧振器（MRR）的傳輸特性研究及應用[D]. 吳小所.蘭州大學 2017



本文編號：2972104