【摘 要】
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随着传输容量逐渐逼近香农极限,寻找新的复用技术成为了光通信领域中的研究热点。模分复用技术属于空间维度的复用,增加了通信网络的物理维度和信息容量,是一种亟待发展和利用的复用技术。可重构的模式复用光波导开关可以在多模式频道实现数据和信号的切换,是构建更加灵活、有效的模分复用网络必不可少的一部分。传统可重构性模式复用光波导开关中的相移单元主要采用掺杂硅材料及干涉臂或微环谐振结构,硅材料的热光折变系数小导
【基金项目】
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校际合作项目“面向光通信器件的新型光波导材料和高速电路研究与开发”；
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随着传输容量逐渐逼近香农极限,寻找新的复用技术成为了光通信领域中的研究热点。模分复用技术属于空间维度的复用,增加了通信网络的物理维度和信息容量,是一种亟待发展和利用的复用技术。可重构的模式复用光波导开关可以在多模式频道实现数据和信号的切换,是构建更加灵活、有效的模分复用网络必不可少的一部分。传统可重构性模式复用光波导开关中的相移单元主要采用掺杂硅材料及干涉臂或微环谐振结构,硅材料的热光折变系数小导致此类器件尺寸较大且能耗高。硫系化合物光学相变材料受外部触发调制后,发生晶态和非晶态两种相变形态转换且两种形态下的材料具有较大的折变系数、可逆性和非易失性,在集成光子学器件应用中显出巨大的前景。本文采用硫系光学相变材料薄膜与硅材料集成的条形光波导结构相结合,研究可重构的模式复用光波导开关器件。论文的主要内容如下:（1）模式复用光波导开关的理论方法研究,本研究涉及的理论计算方法有:模式传输理论和耦合模理论。通过单条形波导结构和双条形波导结构分析了模式的传输和模式间的相互耦合作用。介绍了分析多路复用的光波导开关模型建立主要采用的数值方法:三维时域有限差分法和有限元法。（2）基于四元硫系相变材料Ge2Sb2Se4Te1薄膜和条形波导结构设计了可重构的2×4模式复用开关,该器件由两个含倾斜波导结构的1×2复用开关单元和一个结构对称的2×2光开关单元构成。通过模式耦合理论分析波导中的模式传输特性、采用三维时域有限差分法进行建模。结果表明,工作波长1550nm时,1×2开关单元在相变材料为晶态和非晶态下的插入损耗低至0.60 dB和0.06 dB,消光比高达19.55 dB和27.58 dB;2×4模式复用开关在整个C波段的插入损耗最小值为0.23 dB,消光比最大值为19.12dB。同时,对1×2模式复用开关和2×2光开关单元分别进行了电热特性分析,该相变薄膜在6 μs内完成相态的转变,消耗的能量低于105 nJ。利用1×2和2×2的相变光波导开关单元可以组成任意非阻塞M×N（多路进-出）的模式可重构的复用型光开关器件,且该器件具有集成度高、体积小和能耗低等优点。（3）利用亚波长光栅结构的偏振分束器,并结合1×2的模式复用开关单元,研究一种可重构的混合多路模式复用开关器件结构,分析了相变材料在晶态和非晶态两种情况下的光传输与损耗特性。结果表明,在整个通讯C波段,该器件的插入损耗最小值为0.42 dB,消光比最大值为18.90 dB。同时,扩展偏振分束器和1×2单元的结构,可以实现4×4的混合多路复用开关。
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