【摘 要】
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近几十年来,集成电路技术飞速发展,集成度不断地提高,性能不断增强,然而受限于其物理性质的限制,集成电路的速率、延迟和功耗等逐渐成为了无法忽视的问题。而硅基集成光子芯片与集成电路相比在这些方面有着巨大的优势,因此近年来成为了研究热点,各种高性能的硅基器件被成功实现。然而要想真正的实现集成光子芯片的实际应用,除了需要高性能的器件之外,还需要高性能的耦合器用于实现芯片与光纤之间的耦合。光栅耦合器由于其制
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近几十年来,集成电路技术飞速发展,集成度不断地提高,性能不断增强,然而受限于其物理性质的限制,集成电路的速率、延迟和功耗等逐渐成为了无法忽视的问题。而硅基集成光子芯片与集成电路相比在这些方面有着巨大的优势,因此近年来成为了研究热点,各种高性能的硅基器件被成功实现。然而要想真正的实现集成光子芯片的实际应用,除了需要高性能的器件之外,还需要高性能的耦合器用于实现芯片与光纤之间的耦合。光栅耦合器由于其制作简单、对准容差大、布局方便,已经成为了一种较理想的耦合方案。本文针对光纤与集成光子芯片之间的光栅耦合器进行了研究,提出了双层光栅耦合器结构,对于促进光纤与集成光子芯片间的高效耦合技术的发展具有重要的现实意义。论文的主要研究内容如下:（1）采用布拉格衍射条件,对光栅耦合器耦合原理进行了定性分析,分析了光栅耦合器的耦合条件和耦合类型,对光纤与硅波导中的模式进行了分析,并给出了耦合效率的计算公式。（2）建立了单层光栅耦合器的模型,分析了单层光栅耦合器各结构参数对耦合效率的影响,通过对各结构参数进行优化,设计出了一种耦合角度为12.5°的单层光栅耦合器结构,并对工艺误差可能对耦合效率造成的影响进行了分析。（3）针对单层光栅耦合器的耦合损耗来源进行了分析,通过数值计算,发现损耗主要来自光栅的反射和向下衍射损耗。建立了双层光栅耦合器的理论模型,通过干涉减弱法降低了光栅耦合器的耦合损耗。通过优化结构参数,设计出了一种耦合角度为9°的近垂直耦合双层光栅耦合器,1550nm波长处的耦合效率为81%,3d B带宽为90nm。针对提出的近垂直耦合双层光栅耦合器,给出了一种可行的制作工艺流程,并对工艺容差进行了分析。
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