平面波导微型光谱仪系统芯片中Taper耦合结构的研究

　　1　引　言

　　耦合器件是指具有不同模式场分布的波导间的连接器。当前国内外的耦合器件主要分为以下几种:光栅耦合器件、对接耦合器件、Taper耦合器件、棱镜耦合器件、微透镜耦合器件[1]等。本文采用光束传播法设计了一种Taper耦合器用来解决微型光谱仪中的输入耦合问题。

　　2　微型光谱仪中的耦合问题

　　目前,国内外对微型光谱仪的研究比较多。本实验室开发出了全固化、抗冲击和抗干扰的平面波导自聚焦相位光栅光谱仪系统芯片,其结构如图1所示。光在芯片中的传播路径如下:光源的光经过光纤探头耦合到入射狭缝,从入射狭缝出来的光经过3次全反射投射到柱面镜上,经柱面镜准直后变成平行光;平行光穿过自聚焦透射光栅后,衍射光最终按照不同的频率排列聚焦在光电二极管阵列上。其等效光路如同一块透射光栅和一个棱镜的共同作用结果。在上述的结构中存在一个光从光纤探头到平面波导的耦合问题,它严重地影响着微型光谱仪的最终效果。本文将对这个问题进行深入的研究。

　　3　Taper波导耦合器

　　微型光谱仪芯片要求其耦合元件结构稳定、耦合效率高、便于批量生产,同时又考虑到目前国内的工艺水平,所以本文采用Taper耦合器件来实现光谱仪的输入耦合问题。因为在微型光谱仪中只使用单模光纤和单模平面波导,所以本文的研究也主要在单模范围内。为了适应微型光谱仪的特殊要求,耦合器件要在宽光谱范围内具有较高的耦合效率,特别是在1·3~1·6μm的光学窗口,这就增加了设计的难度。设计的难点在于选取合适的Taper角度。本课题所用的Taper耦合器的几何剖面图如图2所示。一个芯直径标称为9μm的光纤对接在硅基质上,硅基质上有一层反折射层用来减少菲涅尔反射,最上面的硅层是波导部分,垂直于楔形的部分是使入射模式转换为可以在0·24μm厚波导内传播的模式。波导层厚度大约为1μm,在SiO2层之上,两者都在同一厚度的硅基质上。硅基质仅仅提供结构支持,不参与波导传输。楔形结构和单模Si波导都是在SOI上制作的。光的传播路径是:光从光纤进入Taper结构,在Taper结构中传输,然后进入平面Si波导中。

　　主要技术指标为

　　光纤直径: 9μm

　　Si波导厚度: 0·24μm

　　SiO2层厚度: 1μm

　　4　模拟计算的基本方法和边界条件

　　4.1　BPM理论

　　本文采用光束传播法[2](BPM)模拟计算Taper耦合器件内的光场分布。BPM是研究集成光器件的一种有力的工具,同时也是研究波导中线性或非线性光波传输现象、研究光纤中超短光脉冲传播现象的重要方法。BPM一般分为三类:基于快速傅里叶变换的BPM(FFTBPM),基于有限差分法的BPM(FDMBPM)和基于有限元的BPM(FE-BPM)。由于FFTBPM采用了快速傅里叶变换,所以给它带来了先天的不足,例如它的横向离散化格点宽度必须一致,而且不能取得太小,格点数必须是2的整数次幂等。FE-BPM采用的是不规则的节点元,在处理复杂几何曲面时很有效,但要得到它的三维矢量公式和两种介质界面处的两个不同元间的介电常数是非常困难的。相对而言,FDMBPM采用Crank-Nicholson差分格式,该算法是无条件稳定的,计算过程中的矩阵是三对角矩阵,通过优化算法大大降低了所需的计算机存贮量和计算时间。所以在模拟过程中采用了FDMBPM。BPM是一种近似于求解单色波波动方程的方法,它的基础是标量波动方程,即亥姆霍兹方程：