文档介绍：摘要
摘要
光学衰减器作为光纤通信系统中的重要器件,广泛用于 WDM 系统中信道的功率均
衡、某些器件的过功率保护、构成其它光电功能模块以及有线电视网络节点处的功率均
衡。本论文集中进行了 SOI 波导型光学衰减器的理论设计与实验研究,具体内容包括:
系统研究了 SOI 脊形波导的模式特性(包括:单模特性、光场限制能力、偏振相关
特性以及与单模光纤的耦合效率)。利用有效折射率方法推导了大截面脊形波导的单模
条件,并利用 BPM 方法计算了各种结构 SOI 脊形波导的模式特性,在低阶模远离截止
的条件下,利用有效折射率方法得到的单模条件与 BPM 方法的计算结果符合得比较好;
研究了 SOI 脊形波导的损耗特性。
利用导模传输方法分析了多模干涉耦合器的基本原理。讨论了一般干涉型、配对干
涉型和对称干涉型耦合器的基本特点(包括输入光场的位置,自映象的位置、以及自映
象与输入光场的相对相位关系);讨论了多模干涉耦合器的自映象质量、损耗特性、均
匀性以及容差特性。
利用耦合模理论和 BPM 方法确定了定向耦合器的最佳解耦合距离;研究了输入锥
形波导对多模干涉耦合器传输特性的影响,研究表明:采用大张角的输入锥形波导不仅
可以降低多模干涉耦合器的传输损耗,而且可以明显改善其偏振相关性;研究了输出锥
形波导的长度及位置对多模干涉耦合器传输特性的影响;利用线性近似理论分析了热光
调制区设计时所要注意的几个问题;采用传统半导体工艺制作了多模干涉型光学衰减
器;利用自行搭建的光波导分析测试系统对其各项性能指标进行了评价;光学衰减器在
1510∼1610nm 范围内的插入损耗为 ∼7dB,它由传输损耗(~)和耦合损耗()
两部分组成。衰减范围为 0∼,最大电功耗 368mW,响应时间为 104µs。
提出了一种输入、输出波导为多模波导的多模干涉型光学衰减器的结构;成功设计
出与普通单模光纤耦合损耗小于 、输出多模波导结构;研究了输入锥
形波导对多模干涉耦合器传输特性的影响;研究了输出锥形波导对多模干涉耦合器传输
特性的影响,采用合适的输出锥形波导在合适的位置将多模干涉区形成的自映象耦合进
单模调制区,可以得到低插入损耗的多模干涉型光学衰减器;研究了热光调制区脊形波
导结构的模式特性,确定了顶层 SiO2 的最佳厚度;研究了实际工艺过程中的偏差(腐蚀
底角、腐蚀深度、对准位置)对多模干涉型光学衰减器性能的影响,所设计的光学衰减
I
杨林 SOI波导型可变光学衰减器的理论设计与实验研究
器对腐蚀底角、腐蚀深度以及对准位置在一定范围内的变化并敏感;采用传统的半导体
工艺制作了多模干涉型光学衰减器,其在 1525∼1565nm 波长范围内的插入损耗为
∼,最大衰减量为 26dB,最大电功耗为 369mW,响应时间为 100µs。利用双向
BPM 方法研究了多模干涉型光学衰减器的内部反射特性;研究了环境温度的变化对多
模干涉型光学衰减器性能的影响。所研制的器件性能指标达到世界著名光器件公司 NEL
和 Bookham 产品的水平,基本上能够满足系统对光学衰减器低插入损耗、宽衰减范围、
快响应速度和宽光谱带宽的要求。
利用 pin 二极管理论和 BPM 方法分析了各项结构参数对吸收型光学衰减器工作特
性的影响;利用传统半导体工艺制作了吸收型光学衰减器。
关键词:可变光学衰减器、FD-BPM 方法、SOI 脊形波导、多模干涉耦合器、热光效应、
pin 二极管。
II
目录
The Theoretical Design and Experimental Study on SOI
Waveguide Variable Optical Attenuator
Lin Yang
(Microelectronics and Solid State Electronics)
Directed by Professors Qiming Wang and Yuliang Liu
Abstract
Variable optical attenuator (VOA) is an important device in optical munication
systems, which corrects the signal strength differences in WDM cross connect