基于Si基的MMI设计制作及其在全光信号处理中的应用-光电信息工程专业论文.docxVIP

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 必威体育官网网址□， 在 年解密后适用本授权书。 不必威体育官网网址□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘 要 光纤通信技术自问世以来，对人们的生活产生了重大的影响，而随着光通信技术 的迅猛发展，高速率、低功耗和集成化越来越成为人们追求的目标。而早在20世纪70 年代，集成光路的思想就被提出，随着研究的深入，基于硅基的集成芯片取得了越来 越多的突破，使其成为今后集成化必然的趋势。研究基于硅基的有源和无源器件就具 有重要的意义，尤其是基于硅基器件的全光信号处理，已成为硅基集成芯片研究的热 点之一。 多模干涉耦合器（MMI）具有结构紧凑、工艺制作简单、工艺容差性大等优点， 得到了广泛的研究和应用，比如充当功分器、构成马赫曾德型光开关、调制器、解调 器、激光器以及阵列波导光栅等。本论文的研究重点就是将基于硅基的MMI用于全光 信号处理中，论文首先将详细介绍MMI的基础理论知识，设计方法以及加工工艺。然 后将设计和制作基于MMI的功能器件，同时将这些器件用于全光信号处理中，比如全 光多信道码型转换、双偏振态信号处理以及相干接收的关键器件等等。概括全文，主 要的研究成果和贡献可以总结为以下几个方面： ⑴ 分析了MMI的基本原理，介绍了基于普通折射率限制波导和光子晶体波导的 MMI分析方法及应用。详细介绍了MMI的加工工艺，同时详细讨论了基于不同结构的 SOI的光栅和MMI的设计、制作以及测试方法。为后续的基于硅基的MMI的全光信号 处理打下了坚实的理论以及工艺基础。 ⑵ 对MMI在WDM全光信号处理中应用进行了理论和实验的研究。介绍了基于硅 基MMI的DI的设计和制作方法，制作出了性能优良的DI。在此基础上制作了DI级联 AWG的集成器件，同时将此器件用在了WDM信号处理中。利用DI级联AWG实现了 4×40Gb/s情况下RZ到NRZ信号的码型转换，实现了4×20Gb/s情况下DPSK信号解调同 时结合非线性器件SOA实现了4×20Gb/s情况下多信道的NRZ到RZ信号的码型转换。这 在国际上是首次利用集成的DI和AWG进行信号处理。 ⑶ 对MMI在双偏振态信号处理中的应用进行了理论和实验的研究。分析了双偏 振态信号处理的意义同时介绍了传统的利用集成器件来实现双偏振态信号处理的方 I 法，提出了利用2D光子晶体光栅级联非线性器件来进行双偏振态信号处理的方法。创 造性地提出了2D光子晶体光栅和DI组成环形结构来实现双偏振态信号处理的方法，同 时进行了理论分析、工艺制作以及实验验证。这种结构相对于传统结构，工艺设计制 作更加简单，同时也大大地减小了集成器件的尺寸。 ⑷ 理论和实验研究了MMI在相干接收中的应用。提出了一种建构紧凑的基于 MMI和光子晶体的用于双偏振态QPSK信号解调的方案，并进行了理论模拟和分析。 同时设计和制作了基于硅基的4×4MMI用作相干接收中的关键器件90°hybrid，在此基 础上制作了4×4MMI级联AWG并进行了测试。 ⑸ 理论和实验研究了基于光子晶体的MMI在全光信号处理中的应用。比较和分 析了不同结构的光子晶体对MMI尺寸的影响。提出了基于光子晶体MMI的180°hybrid 和90°hybrid，并进行理论模拟分析。同时进行了基于光子晶体的MMI设计和制作，提 出了一种减小硅基波导和光子晶体波导耦合损耗的方法，并进行了实验验证。进行了 基于光子晶体MMI的DI的制作，并且利用此器件实现了DPSK信号的解调。 关键词：全光信号处理 多模干涉耦合器 全光码型转换 双偏振态信号处理 相干接收 光子晶体 Abstract Considerable influence has been brought to people’s life because of the optical fiber communication. With the fast development of it, higher transmissio