利用粒子群優化演算法設計非對稱定向耦合型極小尺寸寬頻極化分離旋轉器

Abstract

隨著近年來資料傳輸量需求的增加，用積體光路取代傳統電路來傳輸資料已成為新的趨勢，在積體光路中因為 SOI 光波導相容於現有成熟的 CMOS 製程技術而被廣泛使用，然而次微米等級的 SOI 光波導本身存在相當嚴重的極化相依問題，解決此問題較通用的做法為使用極化分離旋轉器，為了同時滿足低製造成本與涵蓋寬頻帶，小尺寸寬頻極化分離旋轉器的設計成為一個關鍵的命題。非對稱定向耦合器因為其結構簡單且能有效讓兩種極化相位匹配條件顯著的不同，因此適合用來設計極化分離旋轉器。本論文以矽波導與多晶矽波導之非對稱定向耦合器設計極化分離旋轉器，並利用自訂的粒子群優化演算法優化元件結構參數，優化後的元件再利用三維時域有限差分法對頻譜響應進行驗證，並且探討製程容忍度以及與矽光晶片的整合。 本論文優化後之元件耦合長度為 4.62 μm，在波長 1420 – 1640 nm 的範圍內，TE 與 TM 的插入損耗皆可低於 1 dB，消光比皆可高於 19 dB，串擾皆可低於 –17 dB。此外，本論文也探討元件的製程誤差，包括光行進方向上的波導寬度誤差、直通埠與交叉埠垂直於光行進方向的相對偏移以及直通埠與交叉埠平行於光行進方向的相對偏移，在製程造成的誤差正負 10 nm之內，元件在波長 1460 – 1620 nm 的範圍內之插入損耗皆可低於 1 dB。本論文所設計的元件與其他文獻相比，擁有最小的耦合長度，並在小尺寸的極化分離旋轉器中有很大的頻寬。