[发明专利]一种高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法

权利要求书

1.一种高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设计波导光栅模型，所述波导光栅模型自上而下为上硅层、二氧化硅层和下硅层，所述上硅层为波导区域，所述波导区域的上表面设置有刻蚀深度相同的光栅区域；

步骤S2：利用非线性约束优化算法对波导光栅模型的光源与光栅的距离、光栅区域的占空比、光源的入射角度以及光源与光栅区域的相对位置同时进行优化；

步骤S3：经过多次迭代达到约束条件时，停止迭代，得到耦合效率最优的传统周期波导光栅结构；

步骤S4：调整波导区域的高度和光栅区域的刻蚀深度，进行仿真，得到M型波导光栅耦合器；

步骤S5：改变波导区域的高度、光栅区域的刻蚀深度以及光栅区域的占空比，并测量波导光栅的耦合效率，确定最高耦合效率的M型波导光栅耦合器。

2.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S1中，设计波导光栅模型的过程中采用有限时域差分法。

3.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S1中，所述二氧化硅层的厚度为300nm，下硅层的高度为3μm，所述波导区域的高度为220nm，光栅区域的刻蚀深度为100nm。

4.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S2中，所述光源的模式为TM模。

5.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述约束条件满足：

x_s≥tan(θ)*gap

其中x_s是光源与光栅区域底部左边界的距离，θ是光源入射方向与竖直方向之间的夹角，gap是光源与波导光栅结构的距离。

6.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述传统周期波导光栅结构的光源与光栅距离为0.6475μm，光栅占空比为0.6，光源与光栅区域底部左边界的距离x_s为2.93μm，光源入射角度θ为11°。

7.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S4中，所述M型波导光栅耦合器的波导区域高度为340nm，光栅区域由高度为240nm的M型硅波导组成，光栅区域的刻蚀深度为120nm。

8.根据权利要求1所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S5中，所述波导光栅还包括功率监视器，所述功率监视器用于测量波导光栅的输入输出功率，计算出不同波导区域的高度、光栅区域的刻蚀深度以及光栅区域的占空比下波导光栅的耦合效率，从而确定最高耦合效率的M型波导光栅耦合器。

9.根据权利要求8所述的高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于，所述最高耦合效率的M型波导光栅耦合器的波导区域高度为340nm，光栅区域刻蚀深度为100nm，光栅区域的占空比为0.58。