论文总字数：29270字

摘 要

基于平面光波光路（PLC）技术的光子集成芯片（PIC）与器件，在构建光网络片上节点芯片（ONOC）时凸显不足。立体光子集成技术可以有效解决光路交叉连接问题，提高PIC芯片集成度，降低PIC器件成本。本文重点研究立体光波导中电磁波工作模式问题。

论文首先给出立体光波导分类与分析模型，介绍了基于有限元法的COMSOL分析软件，建立了立体光波导COMSOL分析模型。接着，针对双层对称光波导，分别分析了TE和TM模有效折射率在芯层尺寸相同、不同时随波导尺寸、缓冲层厚度的变化关系，给出了耦合长度随上层波导宽度变化曲线图，从而得到双层对称光波导优化设计结果。然后，针对双层不对称光波导，深入讨论了TE和TM模有效折射率随波导横向间距的变化关系，给出耦合长度随缓冲层厚度的关系。以上结果为优化设计双层波导奠定了基础。最后，总结、归纳了论文工作结果，提出了下一步工作建议。

关键词：立体光波导，三维集成，有限元法，模式分析

Mode Analysis for Three-Dimensional Optical Waveguide

Abstract

Planar optical waveguide (PLC) technology based photonic integrated chip (PIC) and device are inadequate for constructing the optical network node chip (ONOC). Three-dimensional (3D) photonic integration technology can solve effectively the problem of optical cross connection, improve the PIC chip integration and reduce the cost of PIC devices. This paper focuses on the working mode of electromagnetic wave in three-dimensional optical waveguide.

In this paper, the classification and analysis model of 3D optical waveguide is presented firstly, and the COMSOL analyzing software based on the finite element method is introduced and its analysis model is established. Then according to the double symmetric optical waveguide structure, the changes of effective indices for TE and TM mode in the core layer with same and different sizes are given and analyzed, respectively, with the waveguide dimensions and the thickness of the buffer layer. The change curves for coupling length with upper waveguide width are also given. Therefore, we obtain the optimization design results of double symmetric optical waveguide. Secondly, the effective refractive index of TE and TM mode with the lateral spacing of the waveguide is discussed in depth, and the relationship between the coupling length and the buffer layer thickness is given. The results above lay the foundation for the optimization design of double layer waveguide. Finally, the work of the paper is summarized and the suggestion of next work is given.

Keywords: three-dimensional (3D) optical waveguide, 3D integration, finite element method (FEM), mode analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 光子集成技术研究现状 1

1.1.1单片集成 1

1.1.2混合集成 2

1.2三维集成技术 2

1.2.1提出与前景 2

1.2.2研究现状 3

1.2.3存在的问题 6

1.3 光波导理论分析方法研究现状 6

1.3.1 有限元法 6

1.3.2 有限差分法的研究现状 7

1.4论文主要工作、创新点及章节安排 7

第二章 立体光波导有限元分析理论基础 9

2.1 立体光波导结构 9

2.1.1 基本结构 9

2.1.2 分析模型 9

2.2 光波导分析理论基础 10

2.2.1 光波导波动方程 10

2.1.1.1 矢量波动方程 10

2.1.1.2 半矢量波动方程 11

2.1.1.3 标量波动方程 12

2.2.2 光波导的有限元模式分析方法 13

2.2.2.1 全矢量模式分析 13

2.2.2.2 半矢量模式分析 13

2.2.2.3 标量模式分析 14

2.3 COMSOL光波导分析模型的建立 15

2.3.1 仿真软件简介 15

2.3.2 分析模型的建立 15

2.4本章小结 17

第三章 对称立体光波导模式分析 18

3.1立体光波导芯层尺寸相同时的模式分析 18

3.2 立体光波导芯层尺寸不同时的模式分析 19

3.3 不同厚度缓冲层下立体光波导的模式分析 21

3.4 本章小结 25

第四章 非对称立体光波导模式分析 27

4.1立体光波导芯层尺寸相同时的模式分析 27

4.2立体光波导芯层尺寸不同时的模式分析 29

4.3不同厚度缓冲层下立体光波导的模式分析 30

4.4 本章小结 32

第五章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 34

致 谢 36

参考文献 37

1. 绪 论

随着网络技术的快速发展以及对网络带宽需求的日益增加，在过去几十年里，光通信技术得到迅速发展，光纤光缆传输能力得到极大提升，已成为构建高速宽带信息网络的核心基础设施。如何构建低成本、功能齐全、高速宽带光网络，成为光通信技术领域面临的严峻问题。目前，光网络节点采用的光器件，大多体积庞大，集成度低，输出串扰较多。光子集成芯片（PIC）技术成为构建片上光节点的研究热点。目前成熟的光子集成器件大多基于平面光波光路（PLC）技术制备，构建光网络节点PIC芯片时，在需进行光路交叉连接之处，PLC的不足凸显。因此，三维集成技术被业界所重视。三维集成技术对于提高PIC芯片集成度，降低PIC器件成本和体积，至关重要。本文重点研究立体光波导中电磁波工作模式问题，有着重要的意义。

本章首先给出了PIC的研究现状，其次归纳近年来三维集成技术的研究进展，然后介绍光波导理论分析方法的研究现状，最后给出本文的主要内容以及章节安排。

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