[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

说明书

本发明公开了一种高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法，属于集成光电子领域，本发明基于绝缘体硅(SOI)平台，首先设计波导光栅模型，然后利用非线性约束优化算法波导光栅模型，得到在1500nm‑1600nm波长上平均耦合效率最优的传统周期波导光栅结构，再经过创新的研究和设计，在传统的周期光栅结构上设计出一种新颖的M型波导光栅结构，经过几组数据仿真，进一步优化M型波导光栅结构，本发明最终得到了高耦合效率的垂直光栅耦合器，在1580nm波长附近，达到了83.2％的高耦合效率。本发明提供的波导光栅耦合器设计方法，耦合效率高、应用前景广，在使用成熟的制造工艺下，有很大的潜能可以被设计实现。

技术领域

本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种高耦合效率的M型波导光栅耦合器的设计方法。

背景技术

硅基光子学是光学领域中最活跃的学科之一，经过多年的发展，出现了许多基于硅的光电子器件，包括光开关、偏振模分离器、光波分复用器/解复用器、光滤波器和光调制解调器等，而光栅耦合器在其中起着重要的作用，它是这些器件的基础，同时也是实现光子集成电路和外部光纤之间光束耦合的一种非常有效的方法。因此，硅基光栅耦合器的研制具有非常重要的实用价值和现实意义。光栅耦合器是指通过光栅的衍射作用，使衍射光耦合到光波导中进行传播，目前光栅耦合器的设计思路和解决方案主要为以下几个方面：

1、减小光栅耦合器的背反射：光波从硅波导入射至光栅区域时，将会产生极强的背反射，这主要是因为：(1)光栅将光衍射之后，会存在二阶反射，如果二阶反射的方向恰好沿着光波导返回，则必然会导致光栅耦合器耦合效率的降低；(2)由于光栅本身的特性，即光栅齿和凹槽的存在，使得光栅区域的有效折射率与波导的有效折射率之差较大，从而导致了在两者交界处有较大的反射。

2、减小光栅的透射：光栅单元的个数决定了整个光栅的长度，而且其与光栅的带宽有一定的关联。由于光栅周期的选取问题，会导致光经过光栅之后，依然存在一部分残余光未完全衍射出去，这必然影响光栅耦合器的耦合效率。

3、提高光栅耦合器的定向性：对于出射光栅耦合器而言，为了提高光栅耦合器与光纤相耦合的效率，就必须增加向上衍射的光，而设法抑制向下衍射的光，即提高光栅耦合器的定向性。

4、增大光栅耦合器的带宽：由于光栅耦合器的工作原理，导致其本身就是一个波长选择性的器件，因此存在带宽问题，耦合器带宽越大越好，即让其能够耦合的波长跨度尽量的宽。

5、研究光栅耦合器的偏振特性：光栅耦合器除了波长选择性之外，还存在偏振选择性的问题，这主要是因为：在亚微米尺寸的波导中，随着尺寸的减小，波导的偏振相关性越来越强，主要表现为：不同的模式的有效折射率、群折射率以及损耗均不同；这种差异导致光栅耦合器对不同的偏振模式的入射光，耦合效率不尽相同。

光波导(简称波导)是集成光学重要的基础部件，它能将光束缚在光波长量级尺寸的介质中长距离无辐射损耗的传输。光波导器件与常规光学元件的根本差别在于波导中传播光波的模式是分立的。在波导中，人们已经研制了众多不同的光波导元器件，波导光栅就是最重要的光学元件之一。美国IBM的Dakss最早采用双光路平行光束全息曝光技术，在玻璃波导上用光致抗蚀剂制备出表面皱折式光栅，首次实现了波导的光栅耦合。2009年，何赛灵等人设计了一种基于垂直耦合器的偏振分束器，其模拟结果表明这种分束器对TE和TM偏振光的耦合效率均大于50％，且具有超过70nm的带宽和-22dB的消光比。同年，ShiqianShao等人提出了一种T型结构的偏振依赖光栅耦合器，对TE模和TM模的耦合效率均大于50％，且在1550nm波长附近的耦合效率约为58％。

在集成光学器件中，波导光栅的主要作用之一，就是实现模式之间的耦合。波导光栅耦合器就是利用波导光栅实现光波导的输入/输出耦合的器件。因此它在光信息处理、光学计算等方面的应用尤为突出。但要进一步地扩展其应用，关键的问题是要提高波导光栅耦合器的耦合效率，然而在现有的技术中，波导光栅耦合器的耦合效率还不够高。

发明内容