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硅基亚波长波导光栅伴随着硅基光电子学的发展,而不断地被研究和完善当中,以适应光电集成电路的发展需求。目前,基于硅基亚波长波导光栅的器件主要有耦合器、偏振分束器和滤波器等。波导光栅耦合器主要是用来解决光纤与光电集成波导之间的耦合问题;偏振分束器则是用在偏振分集系统当中,以保证能够实现系统的偏振不相关;而滤波器部分则分为宽带反射镜和窄带滤波器两种,宽带反射镜可用于耦合器、激光器和探测器等器件当中,窄带滤波器可用于密集波分复用系统和激光器当中。这些基于硅基波导光栅的器件均是实现光路集成、片上光电转换以及探测的重要基础元件。 本人在“国家高技术研究发展计划(863计划)”和“国家自然科学基金”的支持下,主要完成了以下工作: (1)理论设计和模拟仿真部分: 首先,完成了在完全垂直耦合和非完全垂直耦合两种情况下的均匀光栅耦合器的理论设计工作,并考虑了改变光栅参数对耦合效率的影响,除此之外,我们还设计了一种基于二元闪耀光栅的耦合器,对这几种结构,我们都用FDTD软件进行了仿真,并分别得到了对应的耦合效率。 然后,设计了一种新颖的基于全刻蚀均匀亚波长光栅的偏振分束器。与普通的基于浅刻蚀均匀光栅偏振分束器相比,该结构只需要一步光刻就可以与其他SOI器件集成起来,减少了制作的成本和时间,同时该结构不需要加任何的覆盖层和反射镜,结构非常简单,制作起来也非常方便。通过FDTD仿真,计算得到,该偏振分束器对TE和TM偏振光的耦合效率分别为45％和46％,消光比分别为-15dB和-16dB。 最后,还提出了一种偏振不敏感且谐振波长可调的亚波长波导光栅窄带滤波器。该滤波器在入射角度为42°～48°时谐振波长随入射波长线性可调,且在其中任意一个入射角度下谐振波长不随偏振态的变化而改变。该滤波器可以用在偏振态未知或者不稳定的场合中,并且由于其谐振波长是可调的,我们只需要通过改变入射角度来对不同的波长进行滤波,因此其在通信系统的应用会更加灵活。之后,在工作(2)上的基础上,我们进一步设计了带宽可调的特性。当入射角度在42°～48°时,该器件为窄带滤波器,带宽仅为零点几个纳米,可以应用于密集波分复用系统和激光器系统当中,当入射角度调为10°时,它变成了一个宽带滤波器,而且同样满足偏振不敏感,该滤波器对TE和TM偏振光均在1510nm～1600rim(即90nm范围内)的反射率超过99％,这种宽带滤波器可应用于激光器、耦合器和探测器当中,因此这种带宽可调的特性可以大大拓宽波导光栅滤波器应用的领域。该部分工作也是本人的主要创新成果。 (2)实验测试部分: 我们主要是对两种器件进行了实验测试,一种是浅刻蚀均匀光栅耦合器,另外一种是浅刻蚀均匀光栅的偏振分束器。 耦合器:在实际测试工作开展之前,首先搭建了光栅耦合器测试平台,然后考虑了光栅耦合器的耦合效率的测试系统及数据处理方法,最后对三组器件进行了测试,测试结果显示,该器件对波长为1550nm的TE偏振光的耦合效率均在40％左右。同时还考虑了器件的波长带宽和角容忍度等特性,并与仿真曲线进行了对比,分析了测试结果比仿真结果要差的原因。 偏振分束器:主要对偏振分束器的消光比和耦合效率这两个指标进行测试。同样是先考虑了这两个指标对应的测试系统及数据处理方法。对于消光比这部分,主要选取了制备参数与设计参数最吻合的一组器件进行了测试,分别得到了TE和TM偏振光的测试曲线图,并由此得到TE和TM偏振光的消光比,测试结果显示,该偏振分束器对波长1550nm的TE和TM偏振光的消光比均在10dB以上,带宽均在30nm以上;对于耦合效率部分,我们选取了三组器件进行测试,测试结果显示,该器件对波长为1550nm的TE偏振光的耦合效率均在30％左右。 完成的主要创新成果有: (1)基于全刻蚀均匀亚波长光栅的偏振分束器,该器件在与其他器件一起制备的时候只需要一步光刻工艺,减少了工艺制作时间并降低了工艺成本,同时我们不需要加任何的覆盖层和反射镜,结构非常简单,制作起来也非常方便,并且得到的性能与基于浅刻蚀光栅的偏振分束器可比拟。本人已经将该部分工作申请了国家发明专利; (2)偏振不敏感且带宽可调的光栅滤波器,通过调整入射角度来获取不同带宽特性的滤波器。该滤波器可以用在偏振态未知或者不稳定的场合中,并且由于其谐振波长是可调的,我们只需要通过改变入射角度来对不同的波长进行滤波,因此其在通信系统的应用会更加灵活。本人已经将这部分工作撰写成论文并提交到IEEE Photonic Technology Letter。