摘 要

在波导上刻蚀光栅，将构成一种的器件：波导光栅耦合器。这种器件中，光有两种传输方式：1、波导光纤：光先进入光栅，然后在波导表耦合输出，进入光纤；2、光纤波导：光从光纤输入，在刻蚀光栅部分耦合然后进入波导。

本文借助Rsoft软件中的核心程序ModePROP设计一个传统的波导光栅耦合器，研究光先进入光栅耦合器的波导，耦合进入光纤的传播过程。利用Rsoft软件的扫描功能分析光栅耦合器某些参数：(1) 光栅的刻蚀深度D；(2) 占空比：刻蚀宽度/刻蚀周期（W/P）；(3) 二氧化硅埋氧层厚度H对耦合效率（η）的影响。最后对Rsoft软件的扫描结果进行分析，可以通过对大量的设计参数进行数值优化，推导出当传统光栅耦合器的耦合效率达到最高时波导光栅耦合器相关参数的数值。

关键词：波导；光栅耦合器；光纤；耦合效率

Abstract

A waveguide grating coupler is a device that etches a grating on a waveguide so that light is coupled out from the surface of the waveguide through a grating into an optical fiber or from a fiber into a waveguide.

In this paper, a traditional waveguide grating coupler is designed with the help of ModePROP, a core program in Rsoft software, to study the propagation process of light entering the grating coupler waveguide and coupling into the fiber. The Rsoft software's scanning function is used to analyze certain parameters of the grating coupler: (1) etching depth of the grating D, (2) duty cycle: etching width/etching period (W/P), (3) silicon dioxide Effect of Buried Oxygen Layer Thickness H on Coupling Efficiency (η). Finally, the analysis of Rsoft software's scanning results can be done by numerical optimization of a large number of design parameters, deducing the value of the relevant parameters of the waveguide grating coupler when the coupling efficiency of the traditional grating coupler reaches the highest.

Key Words：waveguide；grating coupler；optical fiber；coupling efficiency

目录

第1章 绪论 1

引言 1

1.1 集成光路及硅基光子学的优势 1

1.1.1 集成光路的必要性及发展现状 1

1.1.2 硅基光子学的发展及光纤耦合的方法 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的主要工作 3

第2章 波导光栅耦合器的基本理论 5

2.1 光栅耦合器 5

2.2 波导光栅耦合器基本结构 6

2.3 布拉格条件 8

2.4 波导光栅耦合器的耦合效率 9

2.5章 光学软件Rsoft 10

2.5.1　Rsoft CAD介绍 10

2.5.2　ModePROP组件介绍 10

第3章 薄波导仿真模型的选择及分析 11

3.1 仿真模型的选择及仿真参数的确认 11

3.1.1 仿真模型的选择 11

3.1.2 仿真参数的确认 11

3.2 薄波导光栅耦合器结构参数的仿真及分析 12

3.2.1 结构参数占空比的仿真及仿真结果分析 14

3.2.2 结构参数刻蚀深度D的仿真及仿真结果分析 15

3.2.3 结构参数刻蚀周期P的仿真及仿真结果分析 16

3.2.4 结构参数埋氧层厚度H的仿真及仿真结果分析 16

3.2.5 入射光波和耦合效率的关系 18

3.3 光栅耦合器结构参数的确认 19

第4章 超薄波导光栅耦合器的研究 20

4.1 部分参数的确认 20

4.2 对结构参数占空比的仿真 20

总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

引言

自从18世纪光栅被提出以来，光栅从衍射光栅体光栅亚波长光栅微纳光栅，它的利用范围有了很大的扩张，已经不再局限于光学领域，我们在通信、天文、计算机等领域也能发现它有着广阔的的应用。并且我们有理由相信，随着对光栅特性研究的逐步加深，光栅的应用前景也将更加广泛。

波导光栅耦合器在集成光学发展中扮演着重要角色，由于它有着可以将自由空间中的光束输入波导内，也可以将波导内的光波取出的特性，因此，在集成光路中光栅耦合器扮演着不可或缺的角色。光栅耦合器基于它的多功能性、效率高、功耗低、工艺简单等优点有着极大地应用市场，一直以来都是国内外科研人员的关注的热点。根据国内外对其研究的方向来看，可以发现主要集中在四个有极大研究潜力的方面：(1) 波导光栅耦合器件的理论分析、(2) 结构布局优化设计、(3) 制备过程和材料。

集成光路及硅基光子学的优势

1.1.1 集成光路的必要性及发展现状

随着几十年的发展，集成电路技术有着巨大的提升，但其已经到了工艺的极限，它的弊端和瓶颈主要表现在：

（1）光刻工艺：必须真空环境操作、必须避免离子间的相互干扰；

（2）互联线限制：寄生电阻，寄生电容。

（3）器件物理极限：(a) 器件的尺寸：加工极限；(b) 操作的延迟时间：RC延迟；(c)消耗的能量：热噪声；(d) 量子隧道效应：反常现象（负电阻）、微型化极限；

这样就催生出了另外一个研究方向：集成光路。在集成电路的启发下，发展出了集成光路，其目的在于将传统的光学元件和器件结合在一个固体上，以达到减小体积、减轻重量、增强抗振动能力、降低功耗、提高可靠性、增加带宽、降低光学系统噪声的目的^[1]。

光波导器件是构成集成光路的主体部分，根据是否有光源可分为两大类：无源器件和有源器件^[2]。无源器件常见的有似棱镜、透镜的波导几何光学器件，也有似耦合器、滤波器这种微波器件。而有源光波导器件是指含有光源的集成光学器件。

它的优势集中在于：(1) 高速度、大宽带：光在光纤等介质材料里的传输速度和带宽都远远大于电子在金属中的传输速度和带宽；(2) 低损耗：光在光纤中的传输损耗远小于电在金属中的传输损耗；(3) 信息量：光波的波长比波长最短的无线电波还要小四个数量级，因而具有更大的传递信息和处理信息的能力。

1.1.2 硅基光子学的发展及光纤耦合的方法

随着集成光路的快速发展，光子技术在通信容量的爆炸式增长的促进下，得到了很大的发展。光波导器件材料主要由第Ⅳ主族元素制成，其中以硅材料最为突出，就目前数据调查显示，近九成的光波导器件由硅材料制成。其原因在于a、硅材料资源丰富；b、光子器件中，以硅材料为基底的器件应用到集成技术中时，有着以下三点优势：a：功耗低、b：速率高、c：结构紧凑。从而可以解决信息网络在集成所面临瓶颈问题，在有关功耗、速率、体积等方面。因此硅基光子技术自从上个世纪以来就是相关科研人员研究的重要方向，现在已有着蓬勃的发展。

随着硅基光子芯片集成技术的不断成熟，我们想要使用光子芯片技术达到短距离光通信的目的愈来愈接近现实。由于绝缘体上硅（Silicon on Insulator，SOI）在光学上有很好的特性，而且因为硅（）材料的折射率与空气（）或者二氧化硅（）相比，都有着较大的折射率差，因此硅基的光波导的另一优势在于具有很强的限制光场的能力^[3]。然而非常小尺寸的硅波导带来高的器件集成度的同时，也衍生出了一个必须克服的问题——硅波导与光纤的耦合损耗非常大^[4]。因此，如何提高光纤与波导的耦合效率是目前亟待解决的问题。

根据耦合损耗的来源，主要可以分为以下几个方面：

（1）菲涅尔反射损耗：是由波导与光纤材料折射率的不同导致；

（2）对准位错损耗：自封装连接导致；

（3）模场失配损耗：由于波导与光纤的模场不匹配引起的^[5]。

我们可以看出光纤与光波导器件耦合出现的问题是耦合损耗的主要来源。光器件与光纤耦合主要分为端面耦合和平面耦合两种方式：端面耦合、平面耦合。与端面耦合器相比，基于平面耦合的光栅耦合器在测试和集成方面有着相对无可比拟的优势：光栅耦合器无需抛光，没有严格的空间限制，对准公差大，加工要求相对简单，大大增加了系统设计的灵活性，更适合大规模集成。因此，基于薄波导的光栅耦合器有着很大的研究意义。

1.2 国内外研究现状

十九世纪七十年代，光栅耦合器的制备技术得到很大发展。1970年，IBM公司Dakss使用一种全新的刻蚀光栅技术：双光路平行光束全息曝光，制备出了一种表面皱折式光栅，这是全世界第一例波导的光栅耦合。之后各种波导光栅的技术如雨后春笋般被科研人员开发出来：同年，另外两位科研人员Kogelnik和Sosnowski通过一种倾斜条纹的体光栅的技术实现了光波导耦合；71年Pennington和Kuhn采通过使用波导光栅实现了将光束分束的目的^[6]。为之后人们对波导光栅研究发展打下了坚实的理论和制备工艺的基础。

经过几十年的研究和发展，随着波导光栅耦合器的理论研究、器件设计、材料和制备技术的不断完善，其在集成光学中的利用愈来愈普遍，在通信、天文等领域也有着普遍的利用。近年来，为了进一步提高波导光栅耦合器的耦合效率，使光栅耦合器的应用范围愈来愈广，对波导光栅刻蚀深度、刻蚀占空比和波导结构等方面科研人员进行了大量的研究。

根特大学在2006年通过在波导光栅耦合器上增加硅阵列的方法，将耦合效率从-2.6dB提高至-1.6dB 。同年，华中科技大学的冯俊波等人发表论文，阐述了一种基于二元闪耀光栅耦合器的偏振分束器，这种分束器上下两层分别对TE模和TM模的入射光起到耦合作用，且耦合效率分别达到了58%和50%^[7]。

目前光栅耦合器的研究方向主要分为理论和实验两大方面。理论方面主要是希望通过加深对光栅耦合器的认知，从而给出一种全新的研究方向。实验方面，大致都是通过改进波导光栅耦合器的结构或者结构参数来实现提高耦合效率的目的。如修改光栅的栅形结构，波导厚度，刻蚀深度的变化，不同波导结构等。

1.3 本文的主要工作

本课题主要研究内容是通过Rsoft软件设计一个基于薄波导的光栅耦合器。利用Rsoft软件连续仿真功能，对光栅耦合器相关设计参数数值：刻蚀深度、刻蚀占空比、埋氧层厚度等参数进行连续仿真。并分析这些参数对光栅耦合效率的影响，推导出波导光栅耦合器的最佳参数，从而使光栅耦合器件的耦合效率达到最佳。

第一章主要介绍了以下几个方面：1、硅基光子技术发展的必要性以及光栅耦合器出现的意义：由于集成电路发展已经无法有所打的突破，人们将目光转到了集成光路。而在集成光路中，光纤与波导器件的耦合损耗又是我们需要克服的问题，因此，研究光栅耦合器提高耦合效率有着巨大的意义；2、分析光栅耦合器国内外的发展现状，定位本文研究光栅耦合器的方向及目标。

第二章主要对光栅耦合器及波导光栅耦合器基本理论知识进行阐述，基于光栅衍射的基本理论和光栅耦合器的基本结构对波导光栅进行整体性的分析，为第四章、第五章中仿真模型的选择及仿真结果的分析提供必要的理论依据。同时认知了光学软件Rsoft的核心部分Rsoft CAD及需要使用的被动组件ModePROP，为第三章、第四章根据实际情况设计对应的光栅耦合器。

第三章是在第二章理论基础的支撑下，确认薄波导光栅耦合器的仿真模型，并在第三章工作的基础上，利用Rsoft制作仿真图形，设置参数，进行仿真。其主要目的在于分析仿真结果，并给出当耦合效率达到最高时，波导光栅耦合器的结构参数。

第四章是本文的一个研究扩展，超薄波导是近几年国外研究光栅耦合器一个热门的方向^[8]，本次我们借助基于薄波导的设计也对超薄波导光栅耦合器进行研究，分析其结构参数对耦合效率的影响。

最后是结论与展望：(1) 总结整篇论文。阐述自己的成果，以及其在本研究领域中的意义、作用；(2) 对本次的研究内容进行分析，总结不足之处以及有待进一步研究的内容，并且对波导光栅耦合器未来的发展进行展望。

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