硅基光栅耦合器和波导分束器的研究

论文摘要

硅基光子学是当前光子学领域的热门研究热点之一。其研究内容是在硅材料上实现各种光子功能器件的制备和集成。平面光栅耦合器具有高耦合效率,体积小,易于制备和封装的特点,主要应用于光纤与波导之间的耦合。硅基波导偏振分束器可以控制偏振光的输出,是纳米器件集成的重要组成部分。本文根据平板波导的导模原理,在分析光栅耦合的布拉格条件,金属与介质之间的表面等离子体特性的基础上,采用严格耦合波解析方法和有限时域差分计算方法,研究和设计了硅基光栅耦合器和波导分束器,解决光纤与波导之间的高效耦合问题,满足硅基纳米器件集成的偏振光控制需求。本文主要取得了以下主要创新成果:(1)设计了一种与偏振无关的阶梯型光栅耦合器,可以同时对TE模和TM模进行耦合,解决了以往耦合器都是单偏的问题,且具有无偏振和尺寸小(光栅长度仅为3μm)的特点。光栅周期为0.99μm时,TE模和TM模耦合效率都大于40%的波长范围为1533nm~1580nm。当波长为1565nm时,TE模和TM模入射光的耦合效率分别为49.9%和49.5%,耦合效率差仅为0.4%。(2)通过增加反射光栅和折射率匹配层设计制作了一种高效率的全刻蚀垂直光栅耦合器,应用于波导与光纤之间的耦合。计算模拟结果显示,在波长为1550nm时,其TE模耦合效率可以达到87.6%,极大的提高了全刻蚀光栅耦合器的效率。(3)通过在定向耦合器平行波导中加入银,利用表面等离子激元对偏振态的选择性,设计了一种基于定向耦合器和表面等离子体激元的新型起偏器,改变了TE模和TM模的定向耦合周期规律,实现了TE偏振光的高消光比输出。研究结果表明,该起偏器具有宽波带,大角度容差和尺寸小的特点。在一组优化参数(L=1.25μm,t=40nm,λ=1.55μm,α=13.9°,W=300nm,L1=0.15μm)下,TE模的耦合效率为95%,TM模的耦合效率仅为3%,TE模的消光比高达15dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 硅基波导光栅耦合器的研究概述
• 1.1.1 波导光栅的发展和研究意义
• 1.1.2 国内外硅基光栅耦合器的研究现状
• 1.2 硅基波导分束器的研究概述
• 1.2.1 波导分束器的发展和研究意义
• 1.2.2 国内外波导分束器的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 硅基光栅耦合器和波导分束器的设计原理及方法
• 2.1 平板波导的导模原理分析
• 2.2 光栅耦合的基本光学原理
• 2.3 表面等离子体激元的基本性质
• 2.4 严格耦合波理论解析方法
• 2.5 有限时域差分数值计算方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 硅基波导光栅耦合器的设计
• 3.1 阶梯型光栅耦合器的设计
• 3.1.1 阶梯光栅耦合器设计的原理
• 3.1.2 对TE敏感的阶梯光栅耦合器结构
• 3.1.3 对TM敏感的阶梯光栅耦合器的结构
• 3.1.4 与偏振无关的高效率阶梯光栅耦合器的设计与讨论
• 3.2 高效率的全刻蚀光栅耦合器的设计与制备
• 3.2.1 全刻蚀光栅耦合器的设计
• 3.2.2 高效率的全刻蚀光栅耦合器的设计
• 3.2.3 全刻蚀光栅耦合器的实验制备
• 3.3 本章小结
• 第四章 硅基波导偏振分束器的设计
• 4.1 传统定向耦合器的研究与模拟
• 4.1.1 传统定向耦合器的基本原理与分析
• 4.1.2 传统定向耦合器的模拟与讨论
• 4.2 基于定向耦合器和表面等离子体激元的偏振分束器的研究
• 4.3 一种基于定向耦合器和表面等离子体激元的新型起偏器的设计与讨论
• 4.3.1 新型起偏器的结构设计
• 4.3.2 新型起偏器的影响因素的讨论
• 4.3.3 新型起偏器的优化结果
• 4.4 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