一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法，属于光栅耦合技术领域。解决了现有硅上锗(Ge

【技术实现步骤摘要】
一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法


[0001]本专利技术涉及光栅耦合
，尤其涉及一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法。

技术介绍

[0002]光栅耦合器是一种通过在芯片波导中引入周期性刻槽结构，由比利时根特大学的D.Taillaert等人于2002年基于
Ⅲ‑
V族材料衬底首次设计实现。光栅耦合器利用布拉格衍射条件，实现光纤和芯片中光波的耦合。高性能中红外(MIR)光子电路是许多应用所必需的，包括环境监测、医疗诊断或自由空间通信。而中红外(3μm
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20μm)光栅耦合器在中红外光子电路中发挥着重要的作用。在这种情况下，硅、锗等Ⅳ族材料因其具有独特的潜力，可以利用成熟的微电子设备，以低成本的方式大量生产，并应用于中红外波段的器件中。另外，锗的光谱透明窗口可以完全覆盖6
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15μm的指纹区，在该区域可以区分分子的复杂振动特征，从而能够明确地识别分子的种类。因此，受锗的优异性能的激励，研究人员已经致力于开发基于锗的中红外光谱平台，如Ge
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on
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Si(硅上锗)波导，Ge
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on
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insulator(绝缘体上锗)波导，Ge
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Si
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on
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insulator(绝缘体上硅上锗)波导。所以，为了把光能够很好的耦合进基于锗的波导，利用基于锗的光栅耦合器是一种有效的方法。然而，由于锗的高折射率(4.0)以及锗与硅之间折射率0.6的中等对比度的影响，基于锗的光栅耦合器面临着高背反射，低方向性和低耦合强度的问题，特别是对Ge
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Si波导具有很大的影响。为了解决上述的问题，许多研究者提出了浅刻蚀的办法，这样可以使得更多的光局限于锗波导上，以此来提高耦合效率。但是，浅刻蚀需要进行二次刻蚀，这一定程度上增加了成本的投入以及时间的消耗。因此，一种可以通过简单的制造工艺就可以实现高耦合效率的办法是我们迫切需要的。
[0003]如何在提高Ge
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on
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Si中红外光栅耦合器的耦合效率的同时，实现简单的制造工艺，缩小制造成本，为本专利技术所研究的课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法，本专利技术提供了一种基于Ge
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on
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Si平台的高耦合效率的中红外光栅耦合器，相比于传统的Ge
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Si结构的中红外光栅耦合器，耦合效率得到了很大的提升，该中红外光栅耦合器是基于均匀锥形光栅和单个环形结构，该中红外光栅耦合器结构简单，是全刻蚀结构，工艺上避免了二次刻蚀，节省了制作成本，且具有高耦合效率。
[0005]本专利技术是通过如下措施实现的：一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，所述中红外光栅耦合器是均匀锥形光栅和单个环形结构；由硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构和输出窄锗波导组成。
[0006]其中，所述宽锗波导的一端与锗材料均匀锥形光栅的一端相连，所述锗材料均匀锥形光栅的另一端与锗材料环形结构的一端相连，所述锗材料环形结构的另一端与输出窄
锗波导相连，所述硅衬底的上表面与宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的下表面相接，所述入射光纤在锗材料均匀锥形光栅的上方。
[0007]进一步地，所述硅衬底的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)
‑
Palik材料。
[0008]进一步地，所述锗材料均匀锥形光栅的包括宽度不变的均匀光栅和宽度渐变的锥形光栅；所述宽度不变的均匀光栅的宽度为40μm；所述宽度渐变的锥形光栅的宽度由40μm变化到12μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比(w/P)分别为4.5μm和0.5。
[0009]进一步地，输出窄锗波导的宽度为4μm。
[0010]进一步地，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的厚度皆为2μm。
[0011]进一步地，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)
‑
Palik材料。
[0012]进一步地，所述入射光纤的入射光是中心波长为7μm的高斯光束。
[0013]为了更好地实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的仿真方法，在仿真过程中，使用商业软件Lumerical FDTD软件对该中红外光栅耦合器进行仿真，具体包括以下步骤：
[0014]S1、根据光栅耦合机理的布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，在中心波长为7μm，衍射阶数为2阶的条件下，设计了所述锗材料均匀锥形光栅的光栅周期和占空比分别为4.5μm和0.5；
[0015]S2、使用商业软件Lumerical FDTD软件对所述硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构、输出窄锗波导进行建模；所述硅衬底的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)
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Palik材料；所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)
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Palik材料；所述入射光纤的输出光是中心波长为7μm的高斯光束；所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的x，y，z方向上的仿真边界条件皆为PML完美匹配层的条件；
[0016]S3、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的外半径R，内半径r，位置d和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm，3.55μm和120
°
；改变所述入射光纤的入射角度θ，得到所述入射光纤不同入射角度下的耦合效率；
[0017]S4、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的外半径R，位置d和开口角度α分别为7.15μm，3.55μm和120
°
；所述入射光纤的入射角度θ为15
°
；改变所述锗材料环形结构的内半径r，得到所述锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率；
[0018]S5、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述中红外光栅耦合器由硅衬底(1)、宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、入射光纤(4)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)组成；其中，所述宽锗波导(2)的一端与锗材料均匀锥形光栅(3)的一端相连，所述锗材料均匀锥形光栅(3)的另一端与锗材料环形结构(5)的一端相连，所述锗材料环形结构的另一端与输出窄锗波导(6)相连，所述硅衬底(1)作为基底，硅衬底(1)的上表面与宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的下表面相接，所述入射光纤(4)至于锗材料均匀锥形光栅(3)的上方。2.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述宽锗波导(2)的宽度为30
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40μm。3.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述锗材料均匀锥形光栅(3)包括宽度不变的均匀光栅和宽度渐变的锥形光栅；所述宽度不变的均匀光栅的宽度为40μm；所述宽度渐变的锥形光栅的宽度由40μm变化到12μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比(w/P)分别为4.5μm和0.5。4.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述入射光纤(4)的入射光为中心波长为7μm的高斯光束。5.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述锗材料环形结构(5)的内半径和外半径分别为r和R；所述锗材料环形结构(5)的开口角度为α；所述锗材料环形结构(5)的位置定义为所述锗材料环形结构(5)的内半径的边缘中心距离所述输出窄锗波导(6)边缘中心的长度d。6.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述输出窄锗波导(6)的宽度为3m至4μm。7.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2m至3μm。8.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述入射光纤(4)的入射角度为θ，范围为0至20度。9.一种如权利要求1
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8任一项所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据光栅耦合机理的布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，在中心波长为7μm，衍射级数为2阶的条件下，设计了所述锗材料均匀锥形光栅(3)的光栅周期和占空比分别为4.5μm和0.5；基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，得到不同结构参数和耦合状态下光波的衍射特性，光栅耦合器的衍射由相位匹配条件决定：其中λ是波长，k是衍射级数，n
B
是光栅区域Bloch
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Floquet模式的有效折射率，θ
k
是所述入射光纤的入射角度，P是所述光栅的周期，n
uc
是所述光栅耦合器上包层的折射率，这里是空气n
uc
＝1，因为Ge
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on
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Si光栅受益于其高有效折射率，产生高衍射级的单光束辐射；
S2、使用Lumerical FDTD软件对所述硅衬底(1)、宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、入射光纤(4)、锗材料环形结构(5)、输出窄锗波导(6)进行建模；所述硅衬底(1)的材料属性使用的是Lumer...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓军，李帅，潘泳全，孙昂，刘文，章国安，杨永杰，施跃春，王小彬，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：