带反射层的波导光栅耦合器的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的及意义

近年来移动通信技术向着高速率、大容量、低损耗的方向不断发展。自1966年高锟提出光传输理论后，以光波为传输媒介的光通信技术以其传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点逐渐取代了传统的通信方式，占据了通信市场。光通信器件技术的发展限制了光通信系统与网络的更新与推广，因而光通信技术的发展需要集成光学元器件更新换代的支持。大多数的集成光学器件都是基于波导与光纤的耦合实现的，光纤与波导的耦合效率的高低在很大程度上影响了集成光学器件的性能。1972年研究人员开始关注到光纤与光纤的连接损耗至今，如何提高光纤与波导的耦合效率吸引了大量的研究人员。光纤与波导的总插入损耗由波导与光纤本身的传输损耗和波导与光纤端面的反射损耗以及波导与光纤之间广的模式失配引起的损耗还有光纤与波导的端面没有对准而产生的损耗^[1]。波导与光纤的传输损耗可以通过改进工艺设计来减少；端面的反射损耗可以在端面镀一层抗反射膜或者使用折射率匹配液来减小；光纤与波导的端面没有对准引起的损耗可以使用固定槽或者光刻对准方法等来实现损耗的降低；对于由于模式失配而引起的损耗，棱镜耦合技术或者是光栅耦合技术是两种应用较为广泛的技术。按照波导与光纤的耦合方向可以将耦合方式划分为端面耦合与离面耦合。光纤与波导的端面耦合是指在水平方向通过波导端面，离面耦合是指在竖直方向或有一定的倾角通过波导端面实现波导与光纤的耦合。端面耦合技术起步较早，已经相当成熟，应用非常广泛，有楔形耦合器与棱镜耦合器等。

波导光栅耦合器作为一种较为典型的离面耦合方式。通过在波导表面刻蚀光栅，利用光栅的衍射作用，在光经过光栅之后从光纤耦合进入波导，或者从波导耦合输入光纤之中，实现了波导与光栅的耦合^[2]。与棱镜耦合器相比体积小、不受折射率限制等优点。按照光束的传播方向，光栅耦合器又可以分为水平耦合结构和垂直耦合结构。水平型波导光栅耦合器的特点是该类形耦合器由双光栅构成，使得光波沿水平方向传输。2002年比利时ghent大学研究人员首次提出在绝缘体上硅（silicon-on-insulator，soi）上制作易于集成的垂直波导光栅耦合器，光波在通过垂直型光栅耦合器实现光栅与波导的耦合时光波的传播方向改变了90°，光波垂直于波导端面经过端面的光栅之后，衍射进入波导之中，可以获得相对较高的耦合效率。垂直类型的耦合方式是利用光栅的负一阶衍射，而光栅的负二阶反射会严重影响波导与光栅的耦合效率，因此光栅与波导一般保持一个10°左右的夹角来避免二阶反射导致的耦合效率降低^[3]。波导的一般结构包括衬底、上下包层、芯层四个部分，衬底的材料一般为硅材料，在衬底中加入一层反射镜同样可以达到提高耦合效率的目的，实验测得在加入金属反射镜时的耦合效率可达到69%。由于制造工艺与cmos不兼容，但是耦合效率高，因而带反射镜的波导光栅耦合器的研究具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容：

查找书籍，阅读资料，总结薄波导的应用与耦合方法，分析超薄波导中的模式分布。深入分析光栅耦合器的应用方法，通过软件仿真，采用时域有限差分法设计光栅耦合器，最后对设计进行优化。

3. 研究计划与安排

第1周—第3周搜集资料，撰写开题报告；

第4周—第5周论文开题；

第6周—第12周撰写论文初稿；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]尤杨，赵茗，杨振宇.波导与光纤耦合设计研究进展[j].激光与光电子学进展,2013,50(2): 62-71.

[2]杨星.聚合物波导光栅耦合器设计研究[d].大连理工大学,2012.

[3]武华，郭霞，韩明夫.高效垂直耦合的光栅耦合器设计[j].光子学报,2013(7): 777-781.