氮化硅集成光波导滤波器的设计

论文总字数：20792字

摘 要

本论文设计了氮化硅光波导环谐振腔滤波器。光波导滤波器是微波光子信号处理中不可或缺的器件之一。基于氮化硅材料，采用矩形波导，主要利用环谐振腔的延迟原理，用Rsoft设计了氮化硅光波导环谐振腔滤波器的单模条件、耦合间距以及弯曲半径等构造参数。其滤波响应特性曲线达到较高的参数标准。构造的氮化硅光波导环形谐振腔滤波器在波段1550nm附近的消光比达到11dB，自由光谱范围0.23nm，3dB带宽0.04nm，品质因子3.9×10⁴。该氮化硅光波导环形谐振腔滤波器可应用在集成光子芯片中。本论文的主要工作主要包括以下几步：

1. 波导特征：介绍本文所采用波导的结构、材料等参数。
2. 波导单模条件：在光波导的高度h=0.1um时，求使得波导传输单模的宽度w的范围。
3. 环谐振腔的弯曲半径：环谐振腔的弯曲半径是氮化硅光波导滤波器的重要参数，弯曲半径不但影响弯曲损耗，也决定了滤波器的大小。
4. 耦合间距：耦合间距决定了耦合耦合系数，因而是不可或缺的参数。
5. 氮化硅光波导滤波器透过率曲线及评价：评价滤波器滤波特性的主要参数指标有：自由光谱范围、品质因子、消光比、3dB带宽

关键词：氮化硅 光波导 环谐振腔 滤波器 Rsoft软件

THE DESIGN OF SILICON NITRIDE WAVEGUIDE

MICRO-RING RESONATOR FILTER

Abstract

This paper designs a waveguide filter. Using silicon nitride waveguide, basing on the group delay of ring resonator, all the parameters are designed, including: section parameter, bending radius, coupling distance. The transmittance curve shows satisfactory results: free spectral region is 0.23nm, 3dB bandwidth is 0.04nm, quality factor is 3.9×10⁴, extinction ratio is 11dB。This silicon nitride waveguide filter can be used in photo communication and optical sensing chips. Using microwave photonic ring to produce group delay to filter is the foundation of filter function in this paper. The keys to building it are:

1. waveguide features: structure and material
2. single mode factors: when the high of waveguide is 0.1um, the range of width to make waveguide transmit single mode
3. bending radius: to choose bending radius, the bending loss and space size should be weighed
4. coupling distance: coupling coefficient is decided by coupling distance
5. Transmittance curve of silicon nitride waveguide filter and evaluation. The parameter index of evaluating the filter function includes:free spectral region, quality factor, extinction ratio, 3dB bandwidth

Key Words: silicon nitride, waveguide, ring resonator, microwave photonic filter, Rsoft

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………………………I

Abstract ………………………………………………………………………………………………………II

第一章 绪论 ……………………………………………………………………………………1

1.1 微波光子学概述 ……………………………………………………………………………1

1.2 微波光子学的主要应用方向 ………………………………………………………………2

1.2.1 光学微波信号处理 …………………………………………………………………2

1.2.2 光学微波信号产生 …………………………………………………………………2

1.2.3 微波光子学应用小结 ………………………………………………………………2

1.3 本论文主要设计及内容安排 ………………………………………………………………3

1.3.1本论文主要设计 ……………………………………………………………………3

1.3.2本文的主要内容安排 ………………………………………………………………3

第二章 氮化硅光波导滤波器的基本构筑单元 ……………………………………4

2.1 传输特性的描述——传输函数 …………………………………………………………4

2.2 光波导 ……………………………………………………………………………………5

2.3 环谐振器 …………………………………………………………………………………7

2.4 调谐单元 …………………………………………………………………………………8

2.5 定向耦合器 ……………………………………………………………………………10

第三章 氮化硅光波导滤波器原理及构造 ……………………………………………………12

3.1 微波光子滤波器的基础理论 …………………………………………………………12

• 1. 氮化硅光波导环形滤波器原理 ………………………………………………………13
  2. 氮化硅光波导滤波器构造 ………………………………………………………………14

3.3.1 波导特征 ………………………………………………………………………14

3.3.2 波导单模条件 …………………………………………………………………15

3.3.3 波导环弯曲半径 ………………………………………………………………16

3.3.4 耦合间距 ………………………………………………………………………17

第四章 氮化硅光波导滤波器透过率曲线及评价 …………………………………………18

• 1. 滤波器透过率曲线 ………………………………………………………………………18
  2. 透过率曲线评价 …………………………………………………………………………19

4.2.1 自由光谱范围 ……………………………………………………………………19

4.2.2 品质因子 …………………………………………………………………………19

4.2.3 消光比 ……………………………………………………………………………19

4.2.4 3dB带宽 …………………………………………………………………………19

第五章 Rsoft在构造光波导滤波器中的运用 ………………………………………………20

5.1 基础设置 …………………………………………………………………………20

5.2 单模条件 …………………………………………………………………………22

5.3 耦合间距 …………………………………………………………………………24

5.4 弯曲半径 …………………………………………………………………………25

致 谢 ……………………………………………………………………………27

参考文献 …………………………………………………………………………………28

1. 绪论
   1. 微波光子学及器件概述

自微波光子技术诞生以来，光电子通信技术和微波技术迅速发展，微波光子技术在未来高速通信系统中取代微波技术，已成为高频通信的基本方向。在现代高速通信系统中，微波技术与光子技术互补，而且在许多应用方面相互重叠。相比于同轴电缆，光纤通信系统带宽高、损耗低，极大地提高了微波信号的传输效率。同时，在高容量光纤通信系统中，传输和接受的信号都以微波信号为载体，使得光子技术和微波技术这两门学科紧密的联系在一起，诞生了一名新学科——微波光子学。

微波光子学简单讲就是运用光学方法处理微波信号。为满足现代高速数据通信的要求，需要更高频率的微波信号作为信息载体。但是，微波信号频率越来越高，使得在电子领域内，产生、处理高频率微波信号变得几乎不可能。微波光子学则为产生和处理高频微波提供了选择方案。基于光子技术，可以产生稳定的高频微波信号。更具重要意义的是，利用传输微波信号的光学系统，直接处理高频微波信号，从很大程度上简化了通信设备结构。

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