[发明专利]一种波导光栅耦合器的设计方法

说明书

本发明提供了一种波导光栅耦合器的设计方法，其包括以下步骤：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域；对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；确定迭代的优化条件；对器件载体上的各像素条的结构依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条的结构按网格划分进行查找，通过有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。采用本发明的技术方案，采用自动化的反向设计方法，设计方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本，可以增加设计的自由度。

技术领域

本发明属于集成硅光子学技术领域，尤其涉及一种波导光栅耦合器的设计方法。

背景技术

半个多世纪前，硅材料使微电子的发展取得了巨大的成功，化合物半导体也紧随其后推动着光通信的发展。随着这两个行业的迅猛发展，它们已经逐渐融合并形成了以光电集成为代表的交叉领域。但化合物半导体与CMOS工艺间的巨大的不兼容性却并未消除，为此硅光子学便应运而生。随着硅光子学的发展，低成本、高性能、高集成度的光器件是重要的发展方向。

对于硅基光子集成芯片而言，不容忽视的一个关键问题是光信号的输入与输出尤其是硅作为间接带隙材料，发光效率还未能达到实用要求，现有技术手段需要从光子芯片外部引入独立光源或采用片上混合集成的光增益材料。光栅耦合器是一种可行的片上引入引出光源的无源器件。因此，光子集成芯片在片内和片外都需要高效率、大带宽、易集成、易于封装的光耦合结构。光栅耦合器利用片上光波导的衍射实现光信号输入或输出芯片，具有易于在线片上测试、不需要晶圆或芯片预处理、也没有严格的空间限制等优点，成为硅基光子集成领域的研究热点。

但是，光栅耦合器目前存在一些问题，垂直耦合的光栅耦合器由于耦合光纤与光栅垂直，所以比其他角度的光栅耦合器更易于封装，但是由于二阶布拉格反射导致背向反射增大，限制了光栅耦合器的效率。为了克服这个问题，闪烁光栅结构，啁啾光栅结构伪随机多狭缝光栅结构用来克服二阶布拉格反射，来提高耦合效率，但是这些方法是以设计原理为出发点设计，增加了设计成本。而偏振不相关光栅耦合器由于不同偏振光的折射率的很大的不同导致设计难度很大，设计复杂器件需要消耗大量的时间人力成本。

鉴于一些复杂的器件的设计需要大量的设计时间和人力成本，那么人们需要一种自动化的器件设计方法，在保证达到器件指标的基础上，不但可以减少人工成本，减少设计时间，从而节约设计成本，而且可以增加器件设计的自由度，实现一些设计比较困难的器件。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种波导光栅耦合器的设计方法，实现自动化设计，方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种波导光栅耦合器的设计方法，其包括以下步骤：

步骤S1：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域，其中，所述器件为待设计的波导光栅耦合器；

步骤S2：对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；

步骤S3：确定迭代的优化条件；不同的器件的结构和功能有不同的需要优化的性能参数，确定优化条件来满足器件的性能要求；

步骤S4：对器件载体上的各像素条的结构依照网格划分依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条结构按网格划分进行查找，通过电磁场的有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么期间结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。经过一定次数的迭代，直到达到器件需要的性能指标。其中，所述期间结构为此次迭代判断之后得到结果的过程。