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        硅基片上光學(xué)器件實(shí)驗(yàn)設(shè)計

        2019-07-26 10:33:52廖莎莎李強(qiáng)廖希明艷
        教育教學(xué)論壇 2019年25期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)模式

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

        一、概述

        Lumerical軟件是成熟的光學(xué)器件設(shè)計軟件,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)較為簡單,應(yīng)用廣泛,適宜在實(shí)驗(yàn)設(shè)計課程中作為目標(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)計布拉格光柵步驟

        Lumerical軟件包含多個仿真產(chǎn)品,在本門課程中采用MODE Solutions進(jìn)行光柵設(shè)計,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個組:第1組為入射波導(dǎo);第2組為光柵結(jié)構(gòu)的1個周期,其中分為兩個cell,之后可在periodicity中設(shè)置這兩個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,軟件開始仿真計算,但是此時只是分別計算了各個組的模式分布,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,將各個組整合起來,計算光柵結(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組長度的掃描初值、掃描終值和掃描點(diǎn)數(shù),點(diǎn)擊eme sweep,計算完成后點(diǎn)擊visualize eme sweep就可以查看a的掃描結(jié)果,此時Δw=0.03 μm,N=1000,a從0.395變化到0.402,掃描點(diǎn)數(shù)為1000個,掃描結(jié)果如圖5所示??梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)a=0.398時,光信號被反射回輸入端,實(shí)現(xiàn)了光柵的反射功能,此時反射率約為0.95。在腳本中改變Δw,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)計提供相應(yīng)的參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1]姜建飛.硅基多模波導(dǎo)光柵濾波器的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2018.

        [2]康赟.啁啾相移光纖光柵的光譜特性分析及其應(yīng)用[D].廈門大學(xué),2008.

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