硅基亞波長(zhǎng)偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器及分束器的研究.pdf

1、光柵作為一種重要的光學(xué)元件，在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中被不斷的探索。二十世紀(jì)五十年光柵技術(shù)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，至今工藝已經(jīng)十分成熟。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基光子學(xué)研究的不斷深入，硅基光柵耦合器以其工藝簡(jiǎn)單，易對(duì)準(zhǔn),對(duì)準(zhǔn)容差大，無(wú)需劃片，便于集成的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的關(guān)注。
　　本文根據(jù)平面波導(dǎo)的導(dǎo)模原理，在分析光柵耦合的位矢條件和光在波導(dǎo)中的偏振特性的基礎(chǔ)上，利用等效介質(zhì)模法和有限時(shí)域差(FDTD)分計(jì)算方法，對(duì)偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器，紫外光柵耦合

2、器，以及基于silicon-on-sapphire材料的波長(zhǎng)為2.7μm的光柵耦合器進(jìn)行了研究。
　　本文的理論工作如下：
　　(1)設(shè)計(jì)了一種偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器。傳統(tǒng)偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器討論的都是TE波和TM波的基模，通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)。本文中，則討論TE波的基模TE0和TM波的一階模TM1，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器，并且取得的效果更好。這種偏振無(wú)關(guān)耦合器可以實(shí)現(xiàn)TE波和TM波的同時(shí)耦合。當(dāng)

3、λ為1.56μm時(shí)，TE波和TM波的耦合效率相等，并且超過(guò)60％。TE波和TM的耦合能量最高分別是72%和75.15%，1dB帶寬分別為30nm和40nm，耦合能量峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之間的差異大約有35nm。
　　(2)設(shè)計(jì)了一種偏振無(wú)關(guān)的光柵分束器。這種光柵分束器是基于布拉格衍射條件和位相匹配方程設(shè)計(jì)的。有限時(shí)域差分法(FDTD)方法模擬結(jié)果顯示，當(dāng)光通過(guò)光柵分束器后，向兩不同方向的波導(dǎo)中分束，兩方向所分的能量幾乎相等。TE波耦合

4、進(jìn)右邊波導(dǎo)和左邊波導(dǎo)中的耦合效率分別是42.54%和43.68%。TM波為46.03%和44.07%。該光柵分束器采用周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最小線寬為360nm，工藝上可以實(shí)現(xiàn)，也是現(xiàn)在所有同類型設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種紫外波段的光柵耦合器，可以使波長(zhǎng)為300nm的紫外光，通過(guò)光柵耦合進(jìn)SiO2波導(dǎo)中，耦合效率超過(guò)60%；在波長(zhǎng)為296nm時(shí)，耦合效率可達(dá)88.5%。經(jīng)理論分析和數(shù)值模擬，最終得到光柵周期為0.28μm