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用于硅基光集成芯片与光纤耦合的光栅耦合器

【摘要】:随着大数据、物联网和人工智能时代的到来,人们对数据处理的需求也是呈爆炸式地增长,一座座大型数据中心以及超级计算机拔地而起。在这些数据中心以及超级计算机中,处理器和存储器之间庞大的数据交换是由光互联技术来完成的。为了降低器件的成本和功耗,同时提高器件的稳定性,要求光互联模块更加的集成化。硅基光集成芯片由于其集成度高、工艺成熟和成本低等优点受到了广泛的关注和研究。随着研究的深入,各种高性能的硅基无源和有源器件已经被成功实现。然而,要实现硅基光集成芯片的真正商用,除了需要高性能的器件对信号进行处理之外,还需要高性能的耦合器来实现芯片与光纤之间的耦合。芯片与光纤之间耦合的挑战主要在于光纤和硅波导的截面尺寸差距过大,若两者直接对接耦合,会造成巨大的耦合损耗。为了解决这个问题,国内外研究人员进行了大量的探索,并提出了多种解决方案。其中,光栅耦合器由于制作简单、位置灵活、对准容差大、可以进行片上测试以及多通道密集耦合等优点,已经成为一种最主要的方案。本论文针对光栅耦合器存在的一些不足进行了研究,主要包括减小尺寸、提高耦合效率、降低偏振相关性以及简化制作工艺,具体研究内容可以概括如下:(1)介绍分析了光栅耦合器的基本原理、主要性能指标、基本的设计过程、制作流程以及测试方法,这为后续光栅耦合器的设计和制作打下理论和实验基础。(2)研究了如何减小光栅耦合器的尺寸。对汇聚型光栅耦合器进行了原理解释并对其进行了优化设计,得到了-3.9 dB的耦合效率,同时将尺寸减小到了传统光栅耦合器的1/6。提出了一种低损耗的超短模斑转换器,利用分段优化的方法,在20 μm长度下,将模斑转换器的损耗从5 dB减小到了0.62 dB。(3)研究了如何提高光栅耦合器的耦合效率。利用变周期结构来减小光纤和光栅耦合器之间的模式失配,制作得到了耦合效率为-2.9 dB的变周期光栅耦合器,比均匀周期光栅耦合器提高了0.9 dB。提出了一种悬浮式的光栅耦合器,在不增加工艺复杂度的情况下,将光栅耦合器的耦合效率进一步提高到了-2.1 dB。理论上提出了一种可用在氮化硅-硅混合集成芯片中的低损耗氮化硅光栅耦合器,通过制作一个底部光栅反射镜,使光栅耦合器的耦合效率提高到了-0.9 dB。(4)研究了二维光栅耦合器来克服传统一维光栅耦合器的偏振相关性。提出了一种基于二维光栅耦合器和微环谐振器的偏振无关时钟恢复方案,其中利用侧面反射光栅,将二维光栅耦合器的垂直耦合效率从-7.0 dB提高到了-5.0 dB。分析了倾斜耦合的二维光栅耦合器,提出了菱形分布的结构以使二维光栅耦合器两个输出波导垂直,采用汇聚型结构来减小二维光栅耦合器的尺寸,通过悬浮式结构来提高二维光栅耦合器的耦合效率。利用五孔型结构的刻孔结构,提出了一种低偏振相关损耗的二维光栅耦合器,将倾斜耦合时二维光栅耦合器的偏振相关损耗从1.5 dB降低到了0.25 dB。(5)研究了光栅耦合器的制作工艺简化。利用亚波长结构结合实际制作中发现的lag effect效应提出了一种可以与波导器件一起进行制作的单步刻蚀一维光栅耦合器,实测的耦合效率达到了-2.8 dB。基于单步刻蚀一维光栅耦合器的设计方法,提出了一种单步刻蚀二维光栅耦合器,实现了-5.0 dB和-5.3 dB的P偏振态和S偏振态耦合效率。

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