基于二元闪耀光栅的垂直耦合器和导模共振窄带滤波器的研究

本项目是2010年基金委支持的一年期项目的继续, 研究基于二元闪耀光栅的高性能垂直耦合器和导模共振窄带滤波器。本项目将进一步研究并完善全刻蚀与垂直入射的波导光栅耦合器，利用电子束和光刻工艺完成相关器件的制作；借助光栅-波导耦合测试平台完成其耦合效率、插损和消光比等性能的测试与分析。同时，研究具有更高偏振不敏感性和角容忍度以及谐振中心波长随入射角度线性可调的窄带滤波器，并完成相关器件的制备和测试。本项目研究的全刻蚀光栅耦合器具有一次刻蚀成型和垂直耦合的特点，能有效的降低器件的设计与制作时间和成本，并大大提高器件的集成度，为亚波长微纳光电子器件的低成本设计、高密度集成提供一种解决方案。导模共振窄带滤波器具有高灵敏度和谐振波长线性可调等优点，在微纳集成光路尤其是SOI光波导系统的耦合、滤波、复用与解复用、光纤到户(FTTH)、光互连和光计算系统中具有重要的应用。

背景：硅基波导的小尺寸使得它与光纤等较大尺寸元件之间的互联非常困难。例如目前应用最广泛的硅基波导结构——绝缘体上硅结构（SOI），光纤与波导模斑大小的失配导致耦合成为硅基光子集成领域急需解决的一个重要问题。目前实现光纤和硅基波导耦合的方式主要有两种，端耦合和光栅耦合。端面耦合常需进行侧面抛光，封装也非常困难，整体的耦合效果也偏差；亚波长波导光栅具有集成度高、耦合效率高等优势，其缺点是一般需要光纤带角度耦合。在滤波方面，常用的滤波器件主要有光纤光栅结构和多层介质膜结构的滤波器。对于窄带滤波的实现，多层介质膜结构对设计和加工都有严格的要求如膜厚、膜的层数以及膜的折射率，设计难度大且加工容差小；而光纤光栅滤波器结构尺寸很大，很难实现芯片级的光电集成。硅基波导光栅滤波器，制备工艺简单，易于与其他硅集光电器件集成，可以作为导模共振滤波器件应用在光纤通信系统和WDM系统中。.主要研究内容：本项目研究浅刻蚀与垂直入射的波导光栅耦合器，完成其耦合效率、插损和消光比等性能的测试与分析。同时，研究具有更高偏振不敏感性和角容忍度以及谐振中心波长随入射角度线性可调的窄带滤波器，并完成相关器件的制备和测试。.重要结果和关键数据：垂直耦合二元闪耀光栅耦合器：仿真得到最高耦合效率83%，1dB带宽44nm，1dB角度容忍度为8.8°；入射角度为10.2°时，仿真得到最高耦合效率92%，1dB带宽45nm，1dB角度容忍度7.7°。为满足加工需要，将之前的仿真510nm的顶硅结构转移到标准芯片340nm的顶硅上，测得的耦合效率为20%（-7dB），其仿真结果为50.7%（-3dB）。TE和TM 的带宽满足通信C波段，消光比大于14dB。偏振不敏感，中心波长随入射角度线性变化的窄带滤波器：测试得到两种偏振下反射中心波长基本重合；角度每增大1度，中心波长便分别蓝移3.9nm和3.8nm。偏振不敏感，角度容忍度大的窄带滤波器：测试得到两种偏振下反射中心波长基本重合。角度改变-/+1.5度，中心波长漂移量小于2nm。.科学意义：探索了二元闪耀光栅在垂直耦合中的应用，在啁啾光栅及额外槽光栅之外寻找到另一个可能的解决方案。另外设计并制备出的偏振不敏感，中心波长线性可调滤波器，及偏振不敏感、高角度容忍度滤波器在微纳集成光路尤其是 SOI 光波导系统的耦合、滤波、复用与解复用、光纤到户(FTTH)、光互连和光计算