硅基片上光学器件实验设计

廖莎莎 李强 廖希 明艳

摘要：集成光学是光通信的重要发展方向，而硅是最有可能实现大规模集成的材料，所以硅基光学器件在集成光学中具有十分重要的地位。在通信、电子信息、光电信息等相关专业开设硅基集成光学课程是非常有必要的。本文以光学器件设计领域广泛应用的Lumeical软件为例，详细介绍了利用该软件设计片上布拉格光栅的教学环节和步骤。

关键词：集成光学；硅基光子学；布拉格光栅；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）25-0275-02

一、概述

Lumerical软件是成熟的光学器件设计软件，功能强大，并且提供试用版本，可以满足实验课程的需求。硅基片上布拉格光柵是一种常见的光学器件，结构较为简单，应用广泛，适宜在实验设计课程中作为目标器件。本文将详细介绍片上布拉格光栅的设计步骤和优化过程等实验教学过程。

二、片上布拉格光栅基本结构和原理简介

片上布拉格光栅的结构示意图如图1所示，需要设计的结构参数包括：波导宽度w，波导高度h，光栅周期长度a，光栅褶皱宽度Δw，光栅周期数N。由于在本实验课程中波导采用条波导的结构，所以波导高度h由商用硅基芯片硅层厚度决定，目前常见的高度有340 nm、220 nm和250 nm，本文仿真中以220 nm为例。为保证波导中的光信号为单模传输，波导宽度w应为450—550 nm，本文仿真中以550 nm为例。

利用耦合模理论，可以得出布拉格光栅的透射率T和反射率R分别为：

三、利用Lumerical软件设计布拉格光栅步骤

Lumerical软件包含多个仿真产品，在本门课程中采用MODE Solutions进行光栅设计，其操作界面如图2所示。

由于光栅是典型的周期结构且周期数较多，所以可以采用MODE Solutions中的EME算法进行仿真。在仿真过程中需要首先绘制出光栅的结构，具体操作步骤如下：点击上方菜单栏Groups，选择Structure。点击右键structure group图标，在Properties中添加参数并设定参数值，在Script中录入脚本。录入脚本后软件上会显示绘制的光栅结构。

在完成器件绘制后，需要加入仿真区域，具体操作步骤如下：点击上方菜单栏Simulation，选择EME Solver。点击右键EME图标，分别设置仿真区域的位置、网格大小数目、边界条件等参数，如图3所示。需要注意的是在EME setup中应将光栅结构分为3个组：第1组为入射波导；第2组为光栅结构的1个周期，其中分为两个cell，之后可在periodicity中设置这两个cell的重复次数，即光栅周期数N；第3组为出射波导。接下来应进行仿真计算。具体操作步骤如下：首先点击上方菜单栏Run，软件开始仿真计算，但是此时只是分别计算了各个组的模式分布，所以在仿真完成之后，需要点击EME Analysis Window，如图4所示，并点击eme propagate，将各个组整合起来，计算光栅结构的传输特性。

仿真的最后一步是优化光栅的相应结构参数，其中光栅周期长度a可以采用软件自带的扫描模块进行优化。在EME Analysis Window右侧的Propagation sweep中选择group span 2，并设置第2组长度的扫描初值、扫描终值和扫描点数，点击eme sweep，计算完成后点击visualize eme sweep就可以查看a的扫描结果，此时Δw=0.03 μm，N=1000，a从0.395变化到0.402，扫描点数为1000个，扫描结果如图5所示。可以发现当a=0.398时，光信号被反射回输入端，实现了光栅的反射功能，此时反射率约为0.95。在脚本中改变Δw，重复上述步骤可以优化Δw（建议Δw分别取值0.02 μm、0.03 μm、0.04 μm和0.05 μm）。在EME Solver中的periodicity改变第二组重复个数，可以优化N（建议选取N=10、N=100、N=1000），帮助学生理解不同周期数对光栅性能的影响）。

四、总结

本文以Lumeical软件为例，详细介绍了利用该软件设计片上布拉格光栅的教学环节和步骤，介绍了片上布拉格光栅的基本结构、工作原理，采用Lumerical软件仿真设计的教学内容，并可为硅基光学器件类课程的实验设计提供相应的参考。

参考文献：

[1]姜建飞.硅基多模波导光栅滤波器的研究[D].杭州：浙江大学，2018.

[2]康赟.啁啾相移光纤光栅的光谱特性分析及其应用[D].厦门大学，2008.