硅基片上光學(xué)器件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廖莎莎 李強(qiáng) 廖希 明艷

摘要：集成光學(xué)是光通信的重要發(fā)展方向，而硅是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的材料，所以硅基光學(xué)器件在集成光學(xué)中具有十分重要的地位。在通信、電子信息、光電信息等相關(guān)專業(yè)開設(shè)硅基集成光學(xué)課程是非常有必要的。本文以光學(xué)器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Lumeical軟件為例，詳細(xì)介紹了利用該軟件設(shè)計(jì)片上布拉格光柵的教學(xué)環(huán)節(jié)和步驟。

關(guān)鍵詞：集成光學(xué)；硅基光子學(xué)；布拉格光柵；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）25-0275-02

一、概述

Lumerical軟件是成熟的光學(xué)器件設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，并且提供試用版本，可以滿足實(shí)驗(yàn)課程的需求。硅基片上布拉格光柵是一種常見的光學(xué)器件，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，適宜在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程中作為目標(biāo)器件。本文將詳細(xì)介紹片上布拉格光柵的設(shè)計(jì)步驟和優(yōu)化過程等實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

二、片上布拉格光柵基本結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)介

片上布拉格光柵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，需要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：波導(dǎo)寬度w，波導(dǎo)高度h，光柵周期長(zhǎng)度a，光柵褶皺寬度Δw，光柵周期數(shù)N。由于在本實(shí)驗(yàn)課程中波導(dǎo)采用條波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，所以波導(dǎo)高度h由商用硅基芯片硅層厚度決定，目前常見的高度有340 nm、220 nm和250 nm，本文仿真中以220 nm為例。為保證波導(dǎo)中的光信號(hào)為單模傳輸，波導(dǎo)寬度w應(yīng)為450—550 nm，本文仿真中以550 nm為例。

利用耦合模理論，可以得出布拉格光柵的透射率T和反射率R分別為：

三、利用Lumerical軟件設(shè)計(jì)布拉格光柵步驟

Lumerical軟件包含多個(gè)仿真產(chǎn)品，在本門課程中采用MODE Solutions進(jìn)行光柵設(shè)計(jì)，其操作界面如圖2所示。

由于光柵是典型的周期結(jié)構(gòu)且周期數(shù)較多，所以可以采用MODE Solutions中的EME算法進(jìn)行仿真。在仿真過程中需要首先繪制出光柵的結(jié)構(gòu)，具體操作步驟如下：點(diǎn)擊上方菜單欄Groups，選擇Structure。點(diǎn)擊右鍵structure group圖標(biāo)，在Properties中添加參數(shù)并設(shè)定參數(shù)值，在Script中錄入腳本。錄入腳本后軟件上會(huì)顯示繪制的光柵結(jié)構(gòu)。

在完成器件繪制后，需要加入仿真區(qū)域，具體操作步驟如下：點(diǎn)擊上方菜單欄Simulation，選擇EME Solver。點(diǎn)擊右鍵EME圖標(biāo)，分別設(shè)置仿真區(qū)域的位置、網(wǎng)格大小數(shù)目、邊界條件等參數(shù)，如圖3所示。需要注意的是在EME setup中應(yīng)將光柵結(jié)構(gòu)分為3個(gè)組：第1組為入射波導(dǎo)；第2組為光柵結(jié)構(gòu)的1個(gè)周期，其中分為兩個(gè)cell，之后可在periodicity中設(shè)置這兩個(gè)cell的重復(fù)次數(shù)，即光柵周期數(shù)N；第3組為出射波導(dǎo)。接下來應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。具體操作步驟如下：首先點(diǎn)擊上方菜單欄Run，軟件開始仿真計(jì)算，但是此時(shí)只是分別計(jì)算了各個(gè)組的模式分布，所以在仿真完成之后，需要點(diǎn)擊EME Analysis Window，如圖4所示，并點(diǎn)擊eme propagate，將各個(gè)組整合起來，計(jì)算光柵結(jié)構(gòu)的傳輸特性。

仿真的最后一步是優(yōu)化光柵的相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中光柵周期長(zhǎng)度a可以采用軟件自帶的掃描模塊進(jìn)行優(yōu)化。在EME Analysis Window右側(cè)的Propagation sweep中選擇group span 2，并設(shè)置第2組長(zhǎng)度的掃描初值、掃描終值和掃描點(diǎn)數(shù)，點(diǎn)擊eme sweep，計(jì)算完成后點(diǎn)擊visualize eme sweep就可以查看a的掃描結(jié)果，此時(shí)Δw=0.03 μm，N=1000，a從0.395變化到0.402，掃描點(diǎn)數(shù)為1000個(gè)，掃描結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)a=0.398時(shí)，光信號(hào)被反射回輸入端，實(shí)現(xiàn)了光柵的反射功能，此時(shí)反射率約為0.95。在腳本中改變?chǔ)，重復(fù)上述步驟可以優(yōu)化Δw（建議Δw分別取值0.02 μm、0.03 μm、0.04 μm和0.05 μm）。在EME Solver中的periodicity改變第二組重復(fù)個(gè)數(shù)，可以優(yōu)化N（建議選取N=10、N=100、N=1000），幫助學(xué)生理解不同周期數(shù)對(duì)光柵性能的影響）。

四、總結(jié)

本文以Lumeical軟件為例，詳細(xì)介紹了利用該軟件設(shè)計(jì)片上布拉格光柵的教學(xué)環(huán)節(jié)和步驟，介紹了片上布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，采用Lumerical軟件仿真設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，并可為硅基光學(xué)器件類課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

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