基于平面光波导路由器的多路光纤传感器设计与实验研究

论文摘要

高速发展的纳米集成技术使得对芯片集成度的要求逐渐提高。然而传统金属互连网络具有高功耗、高延迟、低宽带等劣势,使得芯片上光互连网络（Optical network-on-chip,ONoC）逐渐引起了人们的重视。同时,为了提高光互连网络的通信带宽,人们开始将波分复用技术（Wavelength division multiplexing,WDM）应用在片上光互连技术中。该技术不仅提高了芯片的集成度,还为进一步片上功能集成提供了条件。本文主要开展了以下工作:1、理论设计并仿真了一种基于SOI的有源无阻塞五端口微环路由器,该器件可应用于大规模片上光互连网络,通过硅基热光效应调节每一个单元的谐振波长。该路由器可以实现44种非阻塞的路由状态。在1550nm波段,提出了5端口光路由器的最优设计和拓扑结构,并分析了输出光谱、插入损耗、串扰和功耗等性能。选取几种路由器数据链路进行分析的结果表明,器件的插入损耗为0.361.70 dB,器件的串扰小于-20dB。器件的功耗为44.2154.8 mW。与文献中报道的其他器件相比,本器件将微环的数量降到最小为8个,并且其尺寸与已报道器件相比为最小尺寸。最后,通过采用3微环串联谐振器代替单微环结构,其串扰可低于-90 dB,并且功耗降低为12.844.9 mW。该器件可以被进一步的优化并应用于大尺寸的片上光互连光通讯网络中。2、提出了慢光增强型近红外吸收光谱气体传感器的通用模型及其分析过程,该传感器采用模式可调谐空心光子带隙光纤结构（HC-PBF）作为气体吸收池。分析了非填充和填充液体的HC-PBF和气体吸收增强型并填充液体的HC-PBF的模式参数。得到了用于测量不同种类气体的微流控参数的调谐规律。利用氨气（NH3）作为目标气体,研究了传感器的性能,理论计算了二次谐波信号和阿兰（Allen）偏差值。3、对基于CWDM和DWDM的多路传感系统的波导阵列光栅进行了设计与仿真,完成了CWDM、DWDM的参数优化和结构设计,构建了基于DWDM的多路光纤传感系统并进行了测试,实验结果表明,设计的系统可以实现多种传感器同时工作的多路光纤传感功能。4、在上述的光路由器与气敏传感器的基础上,利用优化设计的光路由器,对多路光纤传感系统进行了实验研究。同时将温度传感器和应变传感器等光纤传感器件连接到多路传感系统中,对该系统进行了一系列的优化设计与实验测试,实验结果表明,研制的多路传感系统同时具有温度传感、应变传感等功能,实现了由一片光路由芯片完成多路传感的功能。该系统只需要一个光源和一个探测器（或光谱仪）,由计算机完成对光源、路由器、探测仪的控制,并由软件完成多路光纤传感器的选择、控制和性能指标的测试。研究的多路光纤传感系统具有低成本和高性能的优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 光通信的发展
•   1.2 微环光开关、光路由器的发展情况
•     1.2.1 光开关的分类
•     1.2.2 光开关的应用
•     1.2.3 微环电光开关发展历程
•     1.2.4 光路由器的发展历程
•   1.3 集成器件的发展历程
•   1.4 城域网（METRO AREA NETWORK）和波分复用技术的简要介绍
•   1.5 本论文的主要工作
• 第二章 平面光波导机理
•   2.1 平面光波导模式分类
•     2.1.1 三层平面光波导模式分析
•     2.1.2 矩形波导模式理论
•     2.1.3 脊形波导模式理论
•   2.2 光波导的耦合理论
•     2.2.1 定向耦合
•     2.2.2 弯曲耦合
•   2.3 微环谐振理论
•     2.3.1 微环基本结构
•     2.3.2 微环谐振方程
•     2.3.3 平行信道单环谐振器传递函数
•     2.3.4 竖直信道单环谐振器传递函数
•   2.4 小结
• 第三章 用于基于CWDM多路传感系统的波导阵列光栅的设计与仿真
•   3.1 AWG的理论基础
•     3.1.1 罗兰圆原理（Rowland Circle）
•     3.1.2 AWG的工作原理
•     3.1.3 光栅方程、角色散方程和自由光谱区[68]（Free Space Region,FSR）
•   3.2 AWG波分复用器的设计与仿真
•     3.2.1 参数优化
•     3.2.2 结构设计
•     3.2.3 AWG软件模拟
•   3.3 小结
• 第四章 基于硅基8微环谐振结构热光调谐无阻塞的五端口光互连路由器
•   4.1 设计与优化
•     4.1.1 材料组合与调制机理
•     4.1.2 器件的结构与原理
•     4.1.3 工作原理
•     4.1.4 参数优化
•     4.1.5 热光重叠积分因子
•     4.1.6 功耗分析
•     4.1.7 开关特性
•     4.1.8 输出光谱、自由光谱区（FSR）、3dB带宽、和品质因子
•   4.2 五端口光路由器
•     4.2.1 路由拓扑
•     4.2.2 路由选择
•     4.2.3 输出光谱
•     4.2.4 插入损耗
•   4.3 比较与讨论
•     4.3.1 与已发表的有源五端口光路由器的对比
•     4.3.2 基于三环谐振器的路由性能的改进
•   4.4 小结
• 第五章 基于中空带隙光纤的慢光增强型近红外吸收光谱的气体传感器的研究
•   5.1 简介
•   5.2 基于空芯带隙光子晶体光纤的光谱气体传感器模型
•   5.3 HC-PBF的模式分析
•     5.3.1 未填充的HC-PBF模式分析
•     5.3.2 填充液体的HC-PBF的模式分析
•     5.3.3 慢光效应的分析
•   5.4 慢光增强气体传感性能分析
•     5.4.1 近红外气体传感的模式调谐
•     5.4.2 NH3 吸收增强分析
•   5.5 小结
• 第六章 基于光路由器的多路传感系统的搭建与测试
•   6.1 基于1X2 光分路器的多路光纤光栅传感系统的搭建
•     6.1.1 基于1x2 光分路器的多路光纤光栅传感系统所采用器件
•     6.1.2 多路传感系统的测试
•   6.2 基于CWDM的多路传感系统的设计与实验
•     6.2.1 AWG芯片的测试与CWDM系统的搭建
•     6.2.2 基于CWDM的多路传感系统的搭建
•     6.2.3 基于CWDM的多路传感系统的测试
•   6.3 基于DWDM的多路光纤光栅传感器系统的设计与测试
•   6.4 小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 作者简介及博士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴志发

导师: 张大明

关键词: 集成光路,片上光互连,光路由器,平面光波导,光纤传感器,功能集成

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 吉林大学

基金: 国家重点研发计划(2016YFB0402504),国家自然科学基金(61575076),吉林省科技发展计划(20190302010GX)

分类号: TP212;TN252

总页数: 137

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