单模波导与光纤耦合状态对器件偏振相关损耗性能的影响

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1、学号：S15010014硕士学位论文单模波导与光纤耦合状态对器件偏振相关损耗性能的影响研究生姓名：常丽媛学科、专业：物理学二○一八年六月分类号:O436密级:可公开UDC:编号:单模波导与光纤耦合状态对器件偏振相关损耗性能的影响INFLUENCEOFTHEBUTT-COUPLINGSTATUSBETWEENSINGLE-MODEWAVEGUIDEANDFIBERONTHEPOLARIZATIONDEPENDENTLOSSOFDEVICE学位授予单位及代码:长春理工大学（10186）学科专业名称及代码:物理学（070200）研究方向:激光及其与物质相互作用申请

2、学位级别:硕士指导教师:张喜和教授研究生:常丽媛论文起止时间:2016.12-2018.3长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士（或博士）学位论文，《单模波导与光纤耦合状态对器件偏振相关损耗性能的影响》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学

3、位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。摘要光电子集成是光电器件发展的必然趋势，它能改善器件的响应速率、光电转换效率、减小器件的功耗和串扰，能够显著提高器件的稳定性和成品率。但是，光电子集成基于波导技术，波导的光信号模场小而椭，光纤的模场大而圆，从而造成严重的模场失配，因此光集成

4、器件在光网络中由于光纤与波导端面耦合所引起的插入损耗成为一大难题。由于插入损耗(InsertionLoss,IL)与偏振相关损耗(PolarizationDependentLoss,PDL)的相互依赖关系，所以对IL的研究必然涉及对PDL相关研究。目前，光电子集成在器件性能的稳定性、设计与加工技术的成熟性及生产成本的降低等方面取得了令人瞩目的成绩，一些器件已经逐渐在工业系统中得到普及。因为芯片-光纤之间的耦合状态对最后器件以及产品的IL和PDL性能有很大影响，因此它是器件性能测试与封装中一步非常重要的技术操作。目前针对PDL的相关研究均以器件功能材料的双折射

5、为切入点，而对器件工作中PDL的形成原理和影响因素方面鲜有相关报道，因此，本课题就光纤-波导耦合原理及其与光束偏振态的关系，从理论研究、软件模拟和实验测试三个方面来研究解决光纤-波导耦合过程引起的IL和PDL。首先，从光束传播法(BPM)理论建立起光纤与波导端面输出模式的偏振相关的电磁场分布，进而利用两个光场之间模式匹配理论对光纤-波导耦合模式进行了分析，找到影响耦合效率偏振相关性的关键物理因素与条件：耦合间距、光纤与波导端面粗糙度和角度。进而，对光纤-波导耦合所引起的IL和PDL进行数学建模，并利用BPM专业软件产生波导端面输出模式偏振相关的精确光场分布，

6、对这一耦合模型进行数值模拟，从而使光纤-波导耦合效率保持着精确的偏振相关性。对光波导芯片样品端面特殊研磨处理使其具有所要求的粗糙度和倾斜角，然后实验测定光纤-波导耦合引起的IL和PDL性能。模拟结果表明，对于0°和8°端面，当空气耦合间距从2μm增加到10μm时，IL都是从0.1dB增大到5dB，PDL从0.02dB增大到0.2dB；实验结果是，当IL为最小2dB时的间距约为2μm，当它逐渐增大至其5倍间距时，即约10μm时，IL值增大到3.5dB；对应的PDL却从0.1dB增大到0.25dB，说明理论计算与实验结果保持着相对的一致性。关键词：光波导技术光纤

7、-波导端面耦合插入损耗偏振相关损耗导波模场分布ABSTRACTOptoelectronicintegration(OEIC)isinevitabletrendinthedevelopmentofoptoelectronicdevices,monolithicintegrationcanimprovetheresponsespeedofthedevice,theoptoelectronicconversionefficiency,thepowerconsumptionofthedevice,thecrosstalk,thestabilityofdevicepe

8、rformance,andtheyieldofpro