摘 要

随着集成电路的迅速发展，硅基波导光栅耦合器在集成光学的发展中引起了越来越多的研究者的重视。

本文通过研究波导光栅的结构和基本理论，对硅基波导光栅耦合器进行设计，提高波导光栅的耦合效率。在硅波导光栅耦合器的基本理论和实验中，采用时域有限差分法和严格耦合波理论。

论文设计了两种硅基波导光栅耦合器。一种是阶梯硅波导光栅耦合器，另一种是锥形硅波导光栅耦合器，这两种光栅耦合器是都以绝缘体上硅材料为基础。

通过仿真模拟可得出结论：阶梯型硅基波导光栅耦合器的入射光源的波长在1400纳米和1500纳米附近时，耦合效率为90%左右。同时，当入射光的波长为1420纳米，硅波导光栅耦合器的耦合效率可达97%。锥形硅基波导光栅耦合器在入射波长为1350纳米，入射光通过光栅耦合进波导的耦合效率达到90%，在入射波长为1500纳米时，耦合效率达到85%，而当入射光的波长为1420纳米，锥形硅波导光栅耦合器的耦合效率可高达98%。

本文通过改进波导光栅耦合器的光栅结构，进而对波导光栅耦合器进行设计仿真，提高其耦合效率。

关键词：硅基波导光栅耦合器、时域有限差分法、严格耦合波理论、阶梯型硅波导光栅耦合器、锥形硅基波导光栅耦合器

ABSTRACT

With the rapid development of integrated circuits, silicon-based waveguide grating couplers play an increasingly important role in integrated optics, due to its versatility, low power consumption, high efficiency, simple process and so on at home and abroad Researchers are widely concerned.

The purpose of this paper is to design a corresponding silicon-based waveguide grating coupler for different grating structures to achieve the goal of high coupling efficiency. Based on the basic theory and experiment of silicon-based waveguide grating coupler, FDTD numerical simulation method and strict coupling wave theory are proposed to design the device.

The paper mainly studies two kinds of silicon-based waveguide grating couplers. A disassembled waveguide grating coupler for coupling between a waveguide and a waveguide. The grating coupler is based on an SOI material and has a very small size and a long bandwidth. The coupler has a 3D bandwidth of 160 nm, an incident light source Requires TE polarized light and perpendicular incidence. And the other is a vertically coupled cone-shaped waveguide grating coupler.

The results show that the coupling efficiency of the ladder grating coupler is about 90% when the wavelength of the incident light source is 1400nm and 1500nm. At the same time, the coupling efficiency of the stepped grating coupler can reach 97% at 1420nm. The coupling efficiency of the conical waveguide grating coupler is 90% and 85%, respectively, when the incident wavelengths are 1350nm and 1500nm, respectively. , The incident wavelength of 1420nm, the cone-shaped waveguide grating coupling coupling efficiency can reach 98%

The design of the silicon waveguide grating coupler is proposed to replace the complicated and redundant design ideas and the design scheme of low efficiency and ambiguity. The design scheme of the silicon-based waveguide grating coupler is improved.

Keywords：Silicon-based waveguide grating coupler, FDTD numerical simulation, strictly coupled wave theory, stepped waveguide grating coupler, tapered waveguide grating coupler

目录

第1章 绪论 1

1.1 波导光栅的研究背景 1

1.2 波导光栅耦合器的分类与应用 1

1.3 波导光栅耦合器的研究目的及意义 2

1.4 国内外研究现状 2

1.5 本文的主要工作 5

第2章 硅基波导光栅耦合器的原理 6

2.1 波导光栅耦合器的设计原理 6

2.1.1 波导光栅耦合器的结构 6

2.1.2 布拉格条件 7

2.2 硅基波导光栅耦合器耦合效率的参数分析 8

2.2.1 波导层厚度对耦合效率的影响 8

2.2.2 光源入射角度对耦合效率的影响 10

2.2.3 光栅长度和光栅厚度对耦合效率的影响 11

2.2.4 SiO₂层厚度对耦合效率的影响 11

2.3 本章小结 11

第3章 硅基波导光栅耦合器的计算方法 12

3.1 严格耦合波解析方法 12

3.2 FDTD数值方法 12

3.3 本章小结 13

第4章 硅基波导光栅耦合器的设计与优化 14

4.1 阶梯型硅基波导光栅耦合器的设计 14

4.1.1 阶梯型硅基波导光栅耦合器的仿真 15

4.1.2 Si波导层厚度对耦合效率影响的仿真优化 15

4.1.3 SiO₂层厚度对耦合效率影响的仿真优化 16

4.1.4 光栅长度和厚度对耦合效率影响的仿真优化 17

4.1.5 阶梯型硅基波导光栅耦合器优化仿真结果 19

4.2 锥形硅基波导光栅耦合器的设计 19

4.2.1 锥形硅基波导光栅耦合器的仿真 20

4.2.2 Si波导层厚度对耦合效率影响的仿真优化 21

4.2.3 SiO₂层厚度对耦合效率影响的仿真优化 22

4.2.4 光栅长度对耦合效率影响的仿真优化 23

4.2.5阶梯型硅基波导光栅耦合器优化仿真结果 24

4.3 本章小结 24

第5章 总结 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

光栅自从十八世纪问世之后，一直都是全世界范围内的科学研究学家所研究的重点之一，从它诞生至之后的几十年间，得到了迅猛的发展，光栅的发展过程是从体型光栅，到Subwavelength光栅，进而到目前热门的微纳米光栅，现如今，随着光栅的不断发展，光栅的应用的范围从光学范围已扩充至通讯、计算机等许多的领域。随着人们对光栅研究的增加，对其特性的认知也越来越多，光栅的在其他领域的应用将会更多。麻省理工学院教授哈里森说：“简单的实验装置，如光栅是很难找到的，它提供了非常重要的实验信息，为每个学科领域。”^[1]无论是哪一领域的研究学者，只要使用它作为实验工具，都会感受到他极高精确度和准确性的优点。

1.1 波导光栅的研究背景

光栅被定义为许多平行狭缝的光学器件，其宽度和距离相等。十七世纪五十年代后，美国的科学家大卫·里腾豪斯通过一个丝绸手帕看到了光的衍射 ^[2]。1821年，Joseoh von Frannhofer重复做了戴维的实验^[3]。在此之后，人们对衍射光栅的了解越来越多，光栅理论的研究也变得愈加科学严谨，光栅元件的性能和功能得到了大幅度的提升，使得光栅得以应用与实践中。1932年美国科学家德拜和西尔斯以及法国科学家卢卡斯在实验中观察到了光栅的动态衍射现象^[4]，这一发现再次丰富了光栅的理论研究。1967年，光栅首先用于微波天线中的研究^[5]。集成光学近几十年来不断的发展完善，为波导光栅理论的研究与发展奠定的丰厚的基础。

1969年美国的贝尔实验室的科学家S.E.米勒初度提出集成光学的概念^[6]，在六十年代集成光学学科出现之后，集成光学进入了快速发展的黄金时期，随即这一新生学科成为了各个领域科学家研究关注对象，预计在不久的将来，集成光学将导致信息时代的深刻变化。经历了各国科学家几十年的探索与研究，相对于集成光学这门学科已经创建了比较完善的基本理论体系和制造工艺手段。