用于波分复用的双层氮化硅垂直光栅耦合器的仿真分析

面向波分复用技术提出了一种双层Si_(3)N_(4)垂直光栅耦合器结构。基于时域有限差分(FDTD)方法对该结构模型(2D)进行了仿真及优化,重点研究了双层Si_(3)N_(4)的宽度、厚度、位置关系以及双层Si_(3)N_(4)结构距离光栅的高度对耦合效率的影响。结果表明,对于1550 nm波长的TE偏振入射光垂直入射,当光栅周期为579 nm,占空比为67.5%,加入厚度为60 nm的金属Al反射镜及双层Si_(3)N_(4)结构后,光栅耦合效率超过了94%。与未添加金属反射镜和双层Si_(3)N_(4)的垂直耦合光栅相比,耦合效率提高了约46%。

基于双层氮化硅减反射垂直光栅耦合器

针对传统光栅耦合器在耦合过程中需要入射光倾斜一定角度且耦合效率低的缺点,提出了一种双层Si_(3)N_(4)减反射垂直光栅耦合器结构。基于时域有限差分法,对双层Si_(3)N_(4)薄膜结构的上、下层Si_(3)N_(4)厚度,下层Si_(3)N_(4)与光栅的距离及上、下层Si_(3)N_(4)之间的高度进行了详细讨论。分析结果表明,对于双层Si_(3)N_(4)减反射垂直光栅耦合器结构,横电波(TE)模式下在1550 nm波长处可以获得超过94%(-0.26 d B)的垂直耦合效率,3 d B带宽为107 nm(1485~1592 nm),具有良好的低损耗特性和带宽特性。同时,在现有加工工艺基础上,对该器件进行了容差分析。分析得知,当光纤光栅对准容差在-1.92~1.92μm范围内、对准角度容差在-1.8°~1.8°范围内时,双层Si_(3)N_(4)减反射垂直光栅耦合器可以获得超过80%的耦合效率。

基于亚波长线光栅的垂直光栅耦合器的设计

为了增强光子芯片与光纤耦合光路设计的灵活性,提高耦合效率,以布拉格条件为基础,设计了一种基于亚波长线光栅的高效垂直光栅耦合器。采用时域有限差分(FDTD)方法建立了光栅耦合器的二维结构模型,系统研究了亚波长线光栅的结构参数对光栅耦合器耦合效率的影响,分析了线光栅的周期、半径、光栅耦合器的上包层及下包层厚度等参数影响耦合效率的物理机制,并对结构进行了优化。结果表明,对于1550 nm波长的TE偏振入射光,当线光栅周期为580 nm,半径为130 nm,下包层厚度为2500 nm,上包层厚度为1400 nm时,可以获得超过91%的垂直耦合效率。提出的亚波长线光栅垂直光栅耦合器耦合效率高、结构简单、易于制备,可以为光栅耦合器的设计提供理论指导和参考。