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硅基光栅耦合器与光纤的耦合规律及对准算法研究

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硅基光栅耦合器与光纤的耦合规律及对准算法研究

作者：刘粤慧中南大学

学位级别：硕士

在人工智能与5G飞速发展的时代,人们对数据处理的容量与速度均有越来越高的要求。在许多数据通讯领域,庞大的数据交换都需要用到光互连技术,而光互联的集成化一直是近年来的研究热点。硅光光集成芯片以其优越的性能受到广泛的关注与研究... 详细信息

在人工智能与5G飞速发展的时代,人们对数据处理的容量与速度均有越来越高的要求。在许多数据通讯领域,庞大的数据交换都需要用到光互连技术,而光互联的集成化一直是近年来的研究热点。硅光光集成芯片以其优越的性能受到广泛的关注与研究,硅光子集成工艺随之日益成熟,许多高性能的硅基器件亦应运而生。其中,能够实现芯片与光纤耦合功能的高性能器件十分重要,是体现光集成芯片商用价值的关键器件之一。光栅耦合器凭借易制作、灵活度高、对准容差大等优点,成为解决芯片与光纤之间耦合难题的最主要的解决方案。本文以光栅耦合器为研究重点,首先研究其光学特性,研究结果表明影响芯片与光纤耦合效率的主要因素是光栅结构参数及光纤对准误差;然后构建光学模型及耦合对准系统,对其耦合规律与耦合算法展开研究,具体工作如下:(1)基于布拉格衍射条件,分析光栅耦合器的工作原理,并构建光学模型,分析其光场传播特征;通过仿真分析光栅关键参数对衍射特性的影响,结果表明,刻蚀深度对光栅衍射强度影响显著,周期主要影响可发生的衍射级次;通过模场仿真,对比了单模光纤与光栅耦合器的差异,为后续的耦合仿真与实验奠定基础。(2)利用高斯光束与波导光栅耦合理论,对其耦合过程的抽象数学模型进行研究;建立光栅耦合器与单模光纤的耦合模型,对耦合规律进行分析;基于仿真数据,完成耦合对准系统总体设计,对耦合规律进行了实验验证,并分析了在应用场景中可能出现的各项误差损耗来源,为自动化晶圆测试提供可靠的参考。(3)基于自行研发的耦合对准系统,对单模光纤与光栅耦合器的耦合对准算法进行研究。根据耦合规律研究,对基于螺旋扫描法的粗对准算法提出优化策略;在精对准算法研究中,针对粒子群算法在搜索实验中存在的不足,提出了惯性权重参数自适应调整与混沌优化策略,并且对比选择了在小规模种群中亦能保持良好搜索性能的Tent映射模型,最后通过实验验证,改进后的算法搜索速度提高了1.5倍,成功率提高了10%,具有更佳的搜索性能与稳定性。图53幅,表10个,参考文献73篇。

关键词：硅基光集成芯片光栅耦合器耦合规律粒子群算法混沌优化

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硅波导特种光栅耦合器的设计与研究

硅波导特种光栅耦合器的设计与研究

作者：文翔哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

21世纪以来现代集成光学迎来了蓬勃的发展。随着光子集成回路,特别是硅基集成光学的发展,硅基集成光栅耦合器成为了硅基集成光学领域重要的研究方向。硅基光栅耦合器可以为硅基光子芯片提供输入输出单口,既可以为光子芯片提供外部独立光... 详细信息

21世纪以来现代集成光学迎来了蓬勃的发展。随着光子集成回路,特别是硅基集成光学的发展,硅基集成光栅耦合器成为了硅基集成光学领域重要的研究方向。硅基光栅耦合器可以为硅基光子芯片提供输入输出单口,既可以为光子芯片提供外部独立光源,又可以将经过光芯片处理的光信号输出出去,而且硅基光栅耦合器同样可以实现偏振无关输入/输出、波分复用/解复用等功能。因此光栅耦合器是硅基光子芯片上非常重要的器件之一,是实现片上光互联的重要技术手段。随着低功耗中红外硅基集成光接收机的实现,中红外片上光通信逐渐引起人们的关注,因此大宽带的中红外硅基光栅耦合器将成为光栅耦合器的研究将会推动中红外片上光通信的发展。为了实现在中红外波段实现大宽带的耦合,本文设计了在两微米波段工作的二维亚波长啁啾光栅耦合器,这种光栅结构在沿光传播方向设计了光栅的线性啁啾结构,在垂直光传播方向设计了耦合强度呈高斯分布的变迹结构,既可以提高中红外的带宽又兼顾了耦合效率的提高。在研究过程中发现,对于功能复杂的光栅耦合器的设计普遍的方法是发现一种新的结构,但是设计困难,并没有一种通用的方便的设计方法来完成设计。本文建立了设计复杂功能光栅耦合器的通用设计方法,这种方法基于计算机非线性搜索算法来实现光栅耦合器的反向设计,利用这种方法我们不用对器件进行非常复杂的结构研究,只需要输入光栅耦合器性能目标的参数,设计收敛域就可以得到性能优越的多功能特种光栅耦合器,其他的优化过程由计算机迭代来完成。利用本文构建的反向设计方法设计了高效率的垂直耦合光栅耦合器和偏振不相关光栅耦合器,并对设计结果进行了验证,从而证实了该方法在设计的可行性。这种方法为今后光栅耦合器以至于硅基光子器件的设计提供了新的设计思路。

关键词：硅基光学光栅耦合器中红外波段反向设计偏振无关性

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硅基光栅耦合器和波导分束器的研究

硅基光栅耦合器和波导分束器的研究

作者：周阔国防科学技术大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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1533nm580nm。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。

关键词：硅基光子光栅耦合器波导分束器表面等离子体激元严格耦合波理论 FDTD 阶梯光栅起偏器

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聚合物波导光栅耦合器设计研究

聚合物波导光栅耦合器设计研究

作者：杨星大连理工大学

学位级别：硕士

波导光栅耦合器,是指在波导上刻蚀光栅,使光通过光栅从波导表面耦合输出进入光纤,或者从光纤耦合进入波导的器件。与波导端面耦合相比,这种耦合方式具有灵活性强,封装难度低等优点。聚合物是近年受到广泛关注的新型波导材料,其具有... 详细信息

波导光栅耦合器,是指在波导上刻蚀光栅,使光通过光栅从波导表面耦合输出进入光纤,或者从光纤耦合进入波导的器件。与波导端面耦合相比,这种耦合方式具有灵活性强,封装难度低等优点。聚合物是近年受到广泛关注的新型波导材料,其具有兼容性好、制备工艺简单、灵活性强等特点,发展前景良好。本文在模拟和实验中使用大连理工大学聚合物光子实验室研究开发的PSQ系列聚合物材料。绪论首先对波导与光纤的耦合方式进行介绍,比较了不同的波导与光纤耦合方式,介绍波导光栅耦合器的研究背景和研究意义;其次介绍了不同材料制备的波导光栅耦合器,如SOI硅绝缘体、InP磷化铟薄膜以及其他实验室研发的聚合物材料制备的波导光栅耦合器。第二章介绍波导光栅耦合器的主要结构及原理,通过光从波导经过光栅耦合器,耦合进入光纤的传播过程,分析其耦合过程中能量损失的主要原因。推导波导光栅结构参数需要满足的条件,包括布拉格条件和下包层厚度需要满足的条件。最后给出了波导光栅耦合器耦合效率的表达式。第三章利用CAMFR对波导光栅耦合器的耦合效率进行模拟分析,针对红外光1550nm波段和近红外850nm波段,分别模拟了光栅耦合器的耦合效率。设计了不同的耦合器结构以提高耦合效率,得出耦合效率最大时的优化结构参数,并对结构参数及耦合角度对于耦合效率的影响进行了模拟研究,比较了模拟计算与公式计算得出结果以及它们之间的误差。第四章研究了波导光栅耦合器的制备工艺,介绍了微纳压印方法制备波导光栅耦合器的原理及过程。使用微纳压印方法制备波导光栅耦合器,需要选用合适的压印模板材料,选择与材料相匹配的工艺制备压印模板。在章节最后介绍了SiN高折射率包层的沉积工艺,并综合设计了带有SiN包层的聚合物波导光栅耦合器制备工艺过程。最后,比较初步制备的波导光栅耦合器的耦合效率和计算机仿真模拟结果,验证了设计的可行性和模拟结果的可靠性。

关键词：聚合物波导光栅耦合器耦合效率光纤

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棱镜—光栅耦合器的分析和计算

北京邮电大学学报 1986年第1期16卷 68-75页

作者：徐力陈德昭

棱镜—光栅耦合器(PGC)是集成光学的一种无源器件。作为光波导的耦合器,它具有比棱镜耦合器和光栅耦合器明显优越的地方。闪耀光栅型的 PGC 比非闪耀光栅型的 PGC 性能更好。本文比较了这两种光栅 PGC 的特性,并就闪耀光栅型的 PGC 进... 详细信息

棱镜—光栅耦合器(PGC)是集成光学的一种无源器件。作为光波导的耦合器,它具有比棱镜耦合器和光栅耦合器明显优越的地方。闪耀光栅型的 PGC 比非闪耀光栅型的 PGC 性能更好。本文比较了这两种光栅 PGC 的特性,并就闪耀光栅型的 PGC 进行了理论分析和计算机数值分析。

关键词：光栅耦合器 PGC 光栅光波导棱镜

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1.55 μm波长硅基均匀光栅耦合器的设计与优化

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传感器技术与应用 2022年第1期10卷 31-36页

作者：高润中郭丽君崔健齐小瑜长春理工大学吉林长春

为解决光波导器件耦合效率低、难以实现的问题,本文开展了集成光波导耦合技术的研究,设计了一种均匀光栅耦合器,采用时域有限差分法对光栅耦合器进行了仿真和优化。计算结果:光栅耦合器在耦合角度 = 20˚,刻蚀宽度w = 300 nm,刻蚀深度e =... 详细信息

为解决光波导器件耦合效率低、难以实现的问题,本文开展了集成光波导耦合技术的研究,设计了一种均匀光栅耦合器,采用时域有限差分法对光栅耦合器进行了仿真和优化。计算结果:光栅耦合器在耦合角度 = 20˚,刻蚀宽度w = 300 nm,刻蚀深度e = 70 nm,周期p = 660 nm时,该种光栅耦合器耦合效率达到57.2%。本文工作可为光栅耦合器的设计提供参考。

关键词：光波导光栅耦合器时域有限差分法耦合效率

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介质光栅耦合器宽带工作特性研究

杭州电子工业学院学报 1996年第2期16卷 13-18页

作者：王启丽潘松张蜀章

基于由微扰理论导出的近似计算方法和对多层介质光栅耦合器耦合特性的研究，本文研究了含有矩形剖面光栅层的介质簿膜光栅耦合器的宽带工作特性，探讨了宽带耦和器设计的必要条件。

关键词：光栅耦合器介质光栅耦合器

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硅基垂直光栅耦合器的研究进展

沈阳大学学报（自然科学版） 2023年第4期35卷 309-318页

作者：刘勇冯松王迪陈梦林胡祥建冯露露西安工程大学理学院陕西西安710048

对国内外硅基垂直光栅耦合器的研究进展进行了总结,讨论了均匀光栅耦合器和非均匀光栅耦合器的研究现状,并对相关耦合器的性能参数做了对比和分析,为未来继续研发更高耦合效率、更大耦合带宽的垂直光栅耦合器提供思路与参考。

关键词：光子器件光波导硅基光栅耦合器垂直耦合

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用光栅耦合器测量波导薄膜参数的一种方法

光学学报 1981年第3期 265-271页

作者：徐德维中国科学院长春物理研究所

本文研究了用光栅耦合器测量波导薄膜参数的新方法。我们对在F1玻璃衬底上真空蒸发制作的硫化锌薄膜和在K9玻璃衬底上浸涂法制作的环氧树脂薄膜的参数进行了测量。采用的光栅周期分别为1200mm-1、1800mm-1和2400mm-1。测量结果表明:薄... 详细信息

本文研究了用光栅耦合器测量波导薄膜参数的新方法。我们对在F1玻璃衬底上真空蒸发制作的硫化锌薄膜和在K9玻璃衬底上浸涂法制作的环氧树脂薄膜的参数进行了测量。采用的光栅周期分别为1200mm-1、1800mm-1和2400mm-1。测量结果表明:薄膜波导模式有效折射率观测值m与计算值Nm符合得较好。计算测量有效折射率M和薄膜折射率nf的精度高于0.1％,计算测量薄膜厚度的相对精度△W/W为2.8～0.1％。我们认为,在导波光学和半导体工艺中,光栅耦合器和棱镜耦合器一样,是快速而精确地测定波导薄膜参数的有效方法。而且,光栅耦合器尚且有它自己的特点。最后还简要地讨论了带有光栅结构的棱镜耦合器。

关键词：光栅耦合器波导模式光栅结构棱镜耦合器