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《兰州大学》 2019年
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用于片上光互连的可重构模式处理器件的研究

 
【摘要】:人们对高速大容量信息处理技术的强烈需求促使片上光学复用技术迅速发展。在众多光学复用技术中,模式复用技术因其能较低成本、较大规模地集成各种模式处理器件到光网络中以数倍提升通信容量而广受关注。为了进一步满足多功能化、灵活化和智能化的高速大容量光网络应用需求,研究新型可重构的模式处理器件显得尤其重要。本文从这一重大需求出发,从模式的产生、复用以及交换三个角度设计并验证了几种关键的可重构模式处理器件,包括可重构模式转换器、可重构模式复用器和可重构模式交换器。作为基本结构单元,光波导是所有集成光学器件的基础,因此本文首先对光波导的相关理论进行了介绍,在此基础上探讨了耦合模理论与相位匹配条件,并研究了设计器件时需要用到的微环谐振器和多模干涉耦合器的理论模型。在模式产生方面,针对目前大部分模式转换器只能实现固定的模式转换问题,本文提出并验证了两种能选择性输出特定模式的可重构模式转换器。其一是基于级联多模干涉耦合器设计的能在基模和一阶模之间选择性输出一个或两个模式的器件,对该器件进行模拟仿真的结果表明,该器件在TE_0模输出、TE_1模输出、TE_0+TE_1两种模式同时输出这三种状态下均具有较小的插入损耗。其二是基于级联微环谐振器设计的可重构模式转换器。通过控制微环谐振器的工作状态能够实现基模向任意一个模式的转换功能,为了验证该功能,利用CMOS工艺制作了一个基础的原型器件,并对其进行了静态响应、动态信号响应和高速信号眼图三方面的实验表征。测试结果表明该器件各工作状态的模式串扰均小于-16.9 dB,波长串扰均小于-15.2 dB,并且能很好地实现10 Gbps高速信号的可重构模式转换功能。在模式复用方面,本文基于级联三波导耦合结构设计了一个可重构的大带宽模式复用器件。仿真结果表明在不同的相位调制状态下该器件能够实现偶对称模与奇对称模的灵活复用。对制作的基础器件进行测试后发现,器件在整个C波段范围内均能以小于-13.7 dB的串扰实现可重构模式复用功能,器件的总数据吞吐量能达到80 Gbps。在模式交换方面,本文基于微环谐振器提出了一种尺寸较小、能够实现基模与任意高阶模数据交换功能的可重构模式交换器,以满足多模信号处理和优化光网络资源利用率的需求。为了验证该功能,制作了一个TE_0模与TE_1模交换器,其谐振峰消光比达到23 dB,且在模式交换过程中模式串扰均小于-16 dB。此外,在速率为10 Gbps的高速眼图测试中得到了清晰且张开的眼图。最后,本文对提出的基于微环谐振器的可重构模式转换器、基于三波导耦合结构的可重构模式复用器和基于微环谐振器的可重构模式交换器这三个器件,分别按照其结构规律进行了进一步拓展,提出了三种功能更强的可重构模式复用器和一种能应用于波分复用网络中的可重构模式交换器,并分别阐述了这些器件的工作原理。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN252;TN929.1

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