硅基亚波长偏振无关光栅耦合器及分束器的研究

摘要

光栅作为一种重要的光学元件，在漫长的历史长河中被不断的探索。二十世纪五十年光栅技术开始蓬勃发展，至今工艺已经十分成熟。随着信息技术的不断发展，硅基光子学研究的不断深入，硅基光栅耦合器以其工艺简单，易对准,对准容差大，无需划片，便于集成的优势得到了广泛的关注。
　　本文根据平面波导的导模原理，在分析光栅耦合的位矢条件和光在波导中的偏振特性的基础上，利用等效介质模法和有限时域差(FDTD)分计算方法，对偏振无关光栅耦合器，紫外光栅耦合器，以及基于silicon-on-sapphire材料的波长为2.7μm的光栅耦合器进行了研究。
　　本文的理论工作如下：
　　(1)设计了一种偏振无关光栅耦合器。传统偏振无关光栅耦合器讨论的都是TE波和TM波的基模，通过设计复杂的结构来实现偏振无关的设计。本文中，则讨论TE波的基模TE0和TM波的一阶模TM1，设计出了结构更简单的偏振无关光栅耦合器，并且取得的效果更好。这种偏振无关耦合器可以实现TE波和TM波的同时耦合。当λ为1.56μm时，TE波和TM波的耦合效率相等，并且超过60％。TE波和TM的耦合能量最高分别是72%和75.15%，1dB带宽分别为30nm和40nm，耦合能量峰值所对应的波长之间的差异大约有35nm。
　　(2)设计了一种偏振无关的光栅分束器。这种光栅分束器是基于布拉格衍射条件和位相匹配方程设计的。有限时域差分法(FDTD)方法模拟结果显示，当光通过光栅分束器后，向两不同方向的波导中分束，两方向所分的能量几乎相等。TE波耦合进右边波导和左边波导中的耦合效率分别是42.54%和43.68%。TM波为46.03%和44.07%。该光栅分束器采用周期性结构设计，最小线宽为360nm，工艺上可以实现，也是现在所有同类型设计中最简单的结构。
　　(3)设计了一种紫外波段的光栅耦合器，可以使波长为300nm的紫外光，通过光栅耦合进SiO2波导中，耦合效率超过60%；在波长为296nm时，耦合效率可达88.5%。经理论分析和数值模拟，最终得到光栅周期为0.28μm，光栅脊宽154nm，1dB带宽为5nm，这种设计可以很好的应用于片上光谱仪的研究。
　　(4)在硅基蓝宝石上设计一种光栅适用于2.7μm波长的光耦合进波导，耦合效率可达75%，通过引入反射光栅布拉格反射层使耦合效率提高到80%以上。主要可用于片上光谱仪的研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 硅基光栅耦合器的研究简述

1.2 本文的主要工作

1.3 本章小结

第二章 偏振无关硅基光栅耦合器和分束器设计原理和方法

2.1 平板波导的导模原理

2.2 光栅耦合的布拉格条件

2.3 等效介质模理论介绍

2.4 有限时域差分数值计算方法的介绍

2.5 本章小结

第三章 硅基亚波长偏振无关光栅耦合器的设计

3.1 偏振无关光栅耦合器的设计

3.2 引入布拉格反射层的偏振无关光栅耦合器

3.3偏振不相关耦合器的制备

3.4 本章小结

第四章 偏振无关光栅分束器的设计

4.1 高效率的偏振无关光栅分束器的设计

4.2偏振无关光栅分束器的参数分析

4.3 本章小结

第五章 高效紫外波段与中红外光栅耦合器的设计

5.1 高效率，高集成度的紫外光栅耦合器的设计

5.2 基于silicon-on-sapphire (SOS)的2.7μm波长的光栅耦合器的研究

5.3本章小节

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果