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集成光路中的光栅

这一篇笔记主要总结下光栅结构在集成光路中的不同应用,加深一下对此的理解。

所谓光栅,就是通过一定的微加工手段,使得材料的折射率满足一定的分布,从而实现对光操控的一类光器件。典型的光栅结构,示意图如下,

(图片来自文献1)

上图中光栅区域的折射率以n1和n2交替变化。图中的光栅结构为周期性光栅结构,折射率分布的周期是Gamma。其他几种常用的光栅结构包括:1) 啁啾光栅, 2) 切趾型光栅,3)双周期型等。

以下介绍下光栅结构在集成光路中的主要功能。

1. 反射器

当光栅周期满足布拉格条件时,光栅就会反射特定波长的光,形成反射器。两个这样的光栅反射器就构成了Fabry-Perot腔。DBL激光器和VCSEL激光器正是利用了光栅结构作为反射镜,从而形成特定波长的激光器,如下图所示。

(DBR激光器,图片来自 https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=9024)

(VCSEL激光器,图片来自http://baike.ofweek.com/887.html)

简单说一下布拉格条件

这个式子可以较简单地推导出来。对于周期结构,其倒空间也是周期结构,它提供倒格矢使得入射光与反射光的相位匹配。下图是一个简单的波矢示意图,

基于相位匹配条件的要求,简单的推导如下,

2. 光栅耦合器

光栅结构的另一个主要作用是作为耦合器,将光芯片外部的光场耦合进芯片内,将芯片内处理好的光信号耦合到外部的光纤中。光栅耦合器的示意图如下,

(图片来自文献2)

类似地,根据z方向相位匹配条件的要求,可以得到如下的关系式,

实际设计光栅耦合器时,需设计好光栅的周期、占空比和刻蚀深度等参数,达到较高的耦合效率。

光栅结构还可以设计成二维点阵结构,用于同时耦合TE光和TM光,如下图所示,

(图片来自http://www.photonics.intec.ugent.be/research/topics.asp?ID=85)

3. 色散调节

前面两种光栅器件中,光栅都对光场的传播方向进行了改变。对于一些无源器件,很多情况下我们需要它可以在较宽的波长范围内工作。但是由于色散,这些器件的工作带宽十分有限。此时,可以利用光栅结构对波导的色散关系进行调节,补偿色散,使得器件工作在非常宽的波长范围内。典型的两种器件如下,

(图片来自文献2)

上图中(a)是带grating的定向耦合器,(b)是带grating的MMI。这种情况下,光栅周期较小(周期小于布拉格波长,又称为亚波长光栅,sub-wavelength grating),光场经过该光栅并不会发生反射,而是色散性质发生改变。

4. 端面耦合器

在端面耦合器尖端引入grating结构,可以提高耦合效率,其结构如下图所示,

(图片来自文献3)

一维光栅结构其实也是一维光子晶体,通过设计光栅周期,使得波导的等效折射率满足特定的要求,进而端面处光场的等效MFD满足设计要求,达到较高的耦合效率。

以上是对光栅结构的一个简单总结,不是很全面。光栅结构在集成光路中的应用较为灵活,既可以设计成反射器、耦合器,用于改变光的传播方向,也可以对波导的等效折射率、色散等性质进行设计。除了设计成周期变化的光栅,还可以设计成啁啾结构等。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出!

参考文献:

  1. R. Halir, et.al., Waveguide sub-wavelength structures: a review of principles and applications, Laser Photon. Rev. 9, 1(2015)
  2. R. Halir, et.al., Recent Advances in Silicon Waveguide Devices Using Sub-Wavelength Gratings, IEEE J Sel Top Quant 20(4) 8201313 (2014).
  3. P. Cheben, et.al., Broadband polarization independent nanophotonic coupler for silicon waveguides with ultra-high efficiency, Opt. Exp. 23,022553(2015)

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-10-30

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