高消光比硅波导声光开关研究

研究硅波导声光器件设计理论，总结完善二氧化硅、砷化镓以及铌酸锂等各种材料波导声光器件理论。由于硅不具有压电特性，通过理论分析,设计多层薄膜结构、叉指换能器结构以及合理安排叉指换能器位置，提高硅波导声表面波特性,同时,采用环形谐振腔结构，大大提高声光相互作用长度，且可以避免声表面波速度相对较慢缺点，并且选择合适的硅波导结构，提高硅波导的声光重叠系数。根据理论分析，设计硅波导声光开关，并利用FDTD对设计的器件结构进行模拟，优化设计结构参数，实现高消光比的硅波导开关。通过分析光纤和硅光波导模场分布，研究光纤和硅光波导的高效率耦合方法。并以此设计制作硅波导声光开关试验样品。本项目研究成果将为各类材料波导声光器件设计提供理论基础，该器件在光网络技术中特别是光电集成芯片上有很大的应用前景。

深入研究了波导声光设计理论，对硅上ZnO条形波导中SAW的速度与声波导厚度进行了详细的讨论，得出了声波导厚度与SAW速度的关系，为硅波导声光器件中，声波导的设计提供了研究基础；讨论了决定声光作用效率的波导声光器件重叠积分与波导的高度及声表面波的关系，为波导声光器件的波导及声表面波的设计提供参考；分析了波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导模场失配耦合损耗的影响，提出了光纤与波导最佳耦合条件；运用SAW衍射模型来分析了带宽与衍射效率之间的关系，发现在一定条件下，同时获得大的带宽和衍射效率是有可能的。.在此基础上，研究并讨论了硅波导声光开关，首先针对硅光波导高折射率差的特点，基于全矢量有限差分算法，编写了适合硅光波导的模拟软件。其次，利用此算法，模拟、分析了硅光波导中直波导与弯曲波导的连接，得出了通过在连接点设置偏差，可以降低直波导与弯曲波导耦合损耗；基于此算法，建立了专门用于设计分析双谐振环系统的模型，利用此模型，得出了双谐振环系统最佳的间距，并分析了耦合效率对于双谐振环系统性能的影响；并且分析了双谐振环系统中的全光片上模拟电磁感应透明，并给出了最佳设计。基于上面的研究，设计了硅波导声光开关，结构包括ZnO层(300 nm),SiO2层(200 nm)，Si波导层(150+70 nm),SiO2层(2000nm)，利用实验室内部开发出软件Sawnics，分析了器件中有效折射率变化量与器件厚度关系，进行了器件设计，并且利用时域有限差分方法，对器件的性能进行了分析。.最后进行了硅光波导及其器件制作与测试，研究了弯曲硅光波导最佳宽度，实验结果表明450nm为最佳宽度；提出了弯曲波导与窄直波导耦合，提高耦合效率的方法，并进行了理论与实验的验证；提出并制作了基于多模干涉耦合器的SOI波导光路由器基础构成模块研究；研究了硅光波导Vernier器件，理论与实验结果表明Vernier器件可以提高自由光谱范围。