论文部分内容阅读
光子集成芯片因其带宽大、稳定性高、成本低等优点,被广泛应用于大容量通信、光信号处理、航电系统等重要领域。波导光栅耦合器是光子集成芯片的重要组成部分,用于将光信号耦合进/出光子芯片,其耦合效率和带宽将直接影响光子集成芯片的性能。在集成光子学发展之初,人们就开始了对波导光栅耦合器的研究,早期采用光刻的方式制作,受限于光刻工艺,其结构简单,性能较差。在CMOS和微纳加工技术的推动下,各种新型光栅耦合器不断涌现,性能不断提升。本文围绕基于SOI结构的光栅耦合器件展开研究,概述了各类光耦合器,着重介绍了光栅耦合器的耦合原理和分析理论;采用数值仿真的方式对均匀光栅、前端线性变化的啁啾切趾光栅、前端升余弦变化的啁啾切趾光栅和前端斐波拉契数列变化的啁啾切趾光栅进行了深入研究,分析了有效折射率对耦合效率和带宽的影响;通过时域有限差分法(Finite-Difference TimeDomain,FDTD)精确模拟了光耦合过程。本文采用理论分析与数值仿真相结合的方式对基于SOI结构的光耦合器进行了研究,研究成果如下:(1)通过理论分析与数值仿真的方式,对比分析了步长对线性变化啁啾切趾光栅以及不同系数对升余弦变化光栅折射率分布的影响;通过分析折射率分布对光栅耦合效率和耦合带宽的影响,建立了完备的数学模型获取最优解。线性变化啁啾切趾光栅耦合效率可达72.4%,90%以上带宽可达127nm,80%以上带宽为187nm;升余弦变化的啁啾切趾光栅耦合效率可达72.92%,90%以上带宽为124nm,80%以上带宽为184nm。(2)提出了基于前端斐波拉契数列变化的的啁啾切趾光栅结构,在相同工艺条件下,该光栅耦合器耦合效率可提升至72.56%,90%以上带宽为139nm,80%以上带宽为193nm,90%以上带宽相比于前端线性变化啁啾切趾光栅耦合器提升12nm,相比于升余弦变化啁啾切趾光栅提升15nm。此外,本文提出的所有前端啁啾切趾光栅耦合器基于250nm商用SOI晶元,制作工艺兼容现有光子集成芯片加工工艺。(3)设计了两种带底部反射镜的光栅耦合器,提升了光栅耦合器的耦合效率和带宽。带Ag反射镜的前端斐波拉契数列变化的啁啾切趾光栅耦合器耦合效率达到97.68%,90%以上带宽为182nm,80%以上带宽为230nm,其性能优于前端线性变化和升余弦变化的啁啾切趾光栅耦合器。设计了带多层DBR反射镜的前端斐波拉契数列变化的啁啾切趾光栅耦合器,其中带三层DBR反射镜耦合效率最高为97.9%。