高消光比矽波導聲光開關研究

《高消光比矽波導聲光開關研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由范國芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高消光比矽波導聲光開關研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：范國芳
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

研究矽波導聲光器件設計理論，總結完善二氧化矽、砷化鎵以及鈮酸鋰等各種材料波導聲光器件理論。由於矽不具有壓電特性，通過理論分析,設計多層薄膜結構、叉指換能器結構以及合理安排叉指換能器位置，提高矽波導聲表面波特性,同時,採用環形諧振腔結構，大大提高聲光相互作用長度，且可以避免聲表面波速度相對較慢缺點，並且選擇合適的矽波導結構，提高矽波導的聲光重疊係數。根據理論分析，設計矽波導聲光開關，並利用FDTD對設計的器件結構進行模擬，最佳化設計結構參數，實現高消光比的矽波導開關。通過分析光纖和矽光波導模場分布，研究光纖和矽光波導的高效率耦合方法。並以此設計製作矽波導聲光開關試驗樣品。本項目研究成果將為各類材料波導聲光器件設計提供理論基礎，該器件在光網路技術中特別是光電集成晶片上有很大的套用前景。

結題摘要

深入研究了波導聲光設計理論，對矽上ZnO條形波導中SAW的速度與聲波導厚度進行了詳細的討論，得出了聲波導厚度與SAW速度的關係，為矽波導聲光器件中，聲波導的設計提供了研究基礎；討論了決定聲光作用效率的波導聲光器件重疊積分與波導的高度及聲表面波的關係，為波導聲光器件的波導及聲表面波的設計提供參考；分析了波導模場的橢圓度和不對稱度對光纖與波導模場失配耦合損耗的影響，提出了光纖與波導最佳耦合條件；運用SAW衍射模型來分析了頻寬與衍射效率之間的關係，發現在一定條件下，同時獲得大的頻寬和衍射效率是有可能的。 在此基礎上，研究並討論了矽波導聲光開關，首先針對矽光波導高折射率差的特點，基於全矢量有限差分算法，編寫了適合矽光波導的模擬軟體。其次，利用此算法，模擬、分析了矽光波導中直波導與彎曲波導的連線，得出了通過在連線點設定偏差，可以降低直波導與彎曲波導耦合損耗；基於此算法，建立了專門用於設計分析雙諧振環系統的模型，利用此模型，得出了雙諧振環系統最佳的間距，並分析了耦合效率對於雙諧振環系統性能的影響；並且分析了雙諧振環系統中的全光片上模擬電磁感應透明，並給出了最佳設計。基於上面的研究，設計了矽波導聲光開關，結構包括ZnO層(300 nm),SiO2層(200 nm)，Si波導層(150+70 nm),SiO2層(2000nm)，利用實驗室內部開發出軟體Sawnics，分析了器件中有效折射率變化量與器件厚度關係，進行了器件設計，並且利用時域有限差分方法，對器件的性能進行了分析。 最後進行了矽光波導及其器件製作與測試，研究了彎曲矽光波導最佳寬度，實驗結果表明450nm為最佳寬度；提出了彎曲波導與窄直波導耦合，提高耦合效率的方法，並進行了理論與實驗的驗證；提出並製作了基於多模干涉耦合器的SOI波導光路由器基礎構成模組研究；研究了矽光波導Vernier器件，理論與實驗結果表明Vernier器件可以提高自由光譜範圍。