波导器件与光纤端面耦合问题的的研究.pdfVIP

摘 要 光电子集成(OEIC)是光电器件发展的必然趋势，单片集成能改善器件的响应速率、 耦合效率、减小器件的功耗和串扰，还能显著提高器件的稳定性和成品率。但集成化 的发展必然伴随着微型化，OEIC 的模场小而椭，光纤模场大而圆，造成严重的模场失 配，因此集成器件在光网络中所引起的插入损耗成为一大挑战难题。1dB 失配容差是 衡量光学耦合系统的一个重要指标，也是解决耦合封装问题的一个重要判据。一个光 学耦合系统的 1dB 失调容差越大，意味着该系统在封装时允许出现越大的对准偏移量， 从而可以用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术；反之，如果光学耦合系统 的 1dB 失调容差很小，那么，不仅波导-光纤封装装置的精细对准存在相当难度，而且 还会易受外界的扰动（如机械震动等因素）的影响。 本论文主要研究平面光波导耦合封装技术，以设计并分析低插入损耗、结构紧凑、 装配容差宽松、制作工艺简单的模式匹配器为 目的，设计了实现低耦合损耗、大装配 容差的波导模式匹配器，并通过模拟研究了其与光纤的耦合效率及对准容差。本论文 从内容上大致可分为三部分： 第一部分对光波导-光纤端面耦合做了详细的理论分析，利用三维模场重叠积分来 计算波导-光纤的耦合效率。此外，还从理论上分析了插入损耗产生原因，并以两种不 同波导结构与光纤的直接端面耦合为例，分析了耦合相关特性。本文第二部分分析了 三种不同结构的模式匹配器：简单侧向锥型匹配器、双层侧向拉锥匹配器和 Y 分支型 模式匹配器，并对这三种匹配器的结构参数进行了优化。此外，还对三种匹配器的传 输特性、失调容差与传输损耗等特性进行了分析。最后还建立了基于耦合波导系统超 模理论的共振耦合系统模式匹配器模型，通过模拟能大幅度提高光纤-波导耦合效率， 有效降低传输损耗。最后，对本文的主要工作进行了总结，并对后期工作进行了展望。 关键词：光波导技术 光波导端面耦合 波导器件封装 I Abstract Optoelectronic integrated circuit (OEIC) is the development trend of optoelectronic devices due to their outstanding merits, such as low insertion loss, compact size, small crosstalk, high stability etc. However, Waveguide structures in optoelectronic integrated circuit have a small noncircular spot-size, and a fiber has a lager circular mode profile. Thus, there is high loss due to the mode mismatch if the fiber is simply butt-coupled to the OEIC. Therefore, there is typically 10dB or even greater power loss when OEIC is directly butt-coupled to single mode fiber (SMF). This becomes a challenging problem. 1dB mismatch tolerance is an important criterion (indicator) to determine the performance of optical coupling system 。It is also the key to resolve coupled packaging issues. The so-called 1dB mismatch tolerance is the axial, lateral or angular offse