10、集成光学：衍射光栅与铒掺杂材料的应用探索

集成光学：衍射光栅与铒掺杂材料的应用探索

1. 衍射光栅在集成光路中的应用

衍射光栅在实现高折射率对比单模光纤与纳米光子集成电路的接口方面发挥着重要作用。它能够实现偏振无关、大光带宽和高效率的耦合，甚至可以利用相同类型的结构实现两个波长带的双工。

1.1 聚合物楔形结构与VCSEL光源的集成

在衍射光栅耦合器顶部集成聚合物楔形结构，用于与垂直腔面发射激光器（VCSEL）光源接口。通过有限差分时域（FDTD）模拟、扫描电子显微镜（SEM）成像以及热循环测试，验证了该结构的可行性。在300°C下进行10分钟的热循环后，器件性能仅有轻微下降，表明可以获得具有良好光学质量的楔形结构。

1.2 小尺寸光纤 - 芯片耦合结构

传统的光栅耦合器结构虽然紧凑，但需要较长的绝热锥来转换光模式尺寸，这限制了光纤 - 芯片耦合结构的集成密度。通过修改光栅结构的布局，可以缩小其尺寸。
- 一维弯曲光栅 ：使用弯曲光栅代替一维光栅结构中的直线光栅，能够将光从光纤耦合到波导平面，并将光聚焦到光波导的孔径上。通过公式 (q\lambda_0 = n_{eff}\sqrt{y^2 + z^2}-z n_t \cos(\theta_c)) 可以设计聚焦光栅，其中 (q) 是每个光栅线的整数，(\theta_c) 是光纤与芯片表面的夹角，(n_t) 是环境的折射率，(\lambda_0) 是真空波长，(n_{eff}) 是带有光栅的宽波导中圆柱波感受到的有效折射率。实验表明，采用弯曲光栅结构可以将器件尺寸缩小八倍，而不影响器件性能。
- 二维光纤 - 芯片光栅耦合器 ：将二