关键词：
亚波长光栅
砖砌型亚波长光栅
光功率分束器
偏振分束器
模式转换器
摘要：
随着信息技术的快速发展,人们对高速互连、通信网络及数据处理有了更高的要求。光互连是突破信息处理效率与数据传输容量的重要解决方案,通过对光波的波长、偏振态及模式等维度的复用,可以极大提高片上通信容量。目前,硅基集成光子器件能与CMOS工艺兼容,具有低损耗、结构紧凑、低成本等一系列优势,可以实现各类光子器件的高密度集成,形成硅基集成光子回路（PICs）,因此受到了人们越来越多的关注。近年来,亚波长光栅结构逐渐兴起并被应用于波长、偏振和模式等光学特性的调控。本文结合亚波长光栅结构和硅基集成光子学设计了光功率分束器、偏振分束器和模式转换器,围绕其小型化、大带宽、低损耗、高消光比、低串扰等相关性能进行了研究,论文主要研究内容包括:
（1）基于亚波长光栅（SWGs）和混合等离激元波导（HPWs）,设计了一种硅基超紧凑TE模式通过型光功率分束器。在该设计中,底层SWG嵌入在一个输入锥形波导和两个相邻的反向锥形波导中以实现TE模式的功率分束。对于入射的TM模式,它被辐射到包层中并被位于底层上方的两个分段HPWs吸收。因此,可以同时实现偏振处理和功率分束。仿真结果表明,该超紧凑TE模式通过型光功率分束器长度仅为2.7μm。在1.55μm处,TE模式和TM模式的消光比（ER）和插入损耗（IL）分别为20.56 d B和0.64 d B。TE模式和TM模式的回波损耗（RL）分别为26.60 d B和23.16 d B。此外,当ER>12 d B且IL<0.8 d B时,工作带宽高达167 nm（1477 nm1644 nm）。
（2）基于砖砌亚波长光栅（BSWG）和非对称定向耦合器（ADC）,结合三维时域有限差分（FDTD）和粒子群优化（PSO）方法优化设计并制备了一种紧凑型宽带2×2 3d B光功率分束器。仿真结果表明,耦合长度为6.11μm,在1450 nm至1650 nm的波长范围内,TE模式的IL小于0.6 d B,功率分束比（PSR）优于3±0.72 d B。实验结果表明,在100nm（1480～1580 nm）的带宽内,IL小于0.77 d B,PSR优于3±0.74 d B。此外,BSWG的最小特征尺寸为139 nm,比传统SWG的最小特征尺寸（100 nm）大,可以减轻制造难度。
（3）基于BSWG和多模干涉耦合器（MMI）的自成像效应,设计了一种宽带双模式光功率分束器。结合FDTD和PSO方法,对结构参数进行了优化,实现了TE0和TE1模式的功率分束。在1500～1650 nm波长范围内,对于输入的TE0模式,IL和不均衡度（IB）在150 nm带宽范围内分别小于0.55 d B和0.65 d B;对于输入的TE1模式,IL和IB分别小于0.7 d B和0.37 d B。而且,在该波长范围内,两种模式的串扰（CT）都低于-25 d B。此外,该光栅的最小特征尺寸最小可达135 nm,且仅需要单次刻蚀,有利于器件制备。
（4）基于SWG和BSWG耦合的ADC结构,设计并实验验证了一种硅基高ER的宽带偏振分束器（PBS）。除了传统的SWG结构参数（占空比和周期）外,BSWG还提供了一个新的设计自由度,能够控制TE模式和TM模式有效折射率,实现精确的相位匹配。因此,对于TM模式,通过引入BSWG可以满足相位匹配条件,从而在更高的ER下实现高效的耦合。同时,对于TE模式来说,则存在明显的相位失配。通过上述方法可以分别将TE模式和TM模式分离到直通端口和交叉端口输出。仿真结果表明,该PBS的耦合长度为8.4μm,TM模式在1.55μm波长处的ER为35.06 d B,IL为0.25 d B;TE模式在1.55μm波长处ER为18.92 d B,IL为0.01 d B。此外,当ER大于15 d B时,TE模式的工作带宽高达300 nm（1400～1700 nm）,TM模式的工作带宽高达155 nm（1487～1642 nm）。测试结果表明,在1480～1580 nm的带宽范围内,测得TE模式和TM模式的IL分别小于0.64 d B和0.76 d B。在ER大于10 d B和15 d B条件下,TE模式的带宽分别为120 nm和110 nm,TM模式的带宽分别为140 nm和120 nm。（5）基于非对称输入/输出锥形波导和BSWG之间的互易模式演变,设计并实验验证了一种紧凑型宽带模式转换器。在该方案中,在BSWG区域能产生准TE0模式,该模式可以被视为两个待转换TE模式之间的有效桥梁。通过选择适当的结构参数可以实现输入/输出模式和准TE0模式之间的特定模式转换。结合FDTD和PSO方法,优化设计了TE0-TE1和TE0-TE2模式转换器,有效地将TE0模式转换为TE1模式和TE2模式,转换区域长度分别为9.39μm和11.27μm。仿
