摘 要

本文是对波导型Bragg光栅进行设计与仿真。开头简要陈述了光纤光栅的背景和发展历史；接着解释了光栅的基本工作原理以及常用的科学分析方法；然后使用Rsoft Photonics CAD Suit软件绘制出光栅的平面结构图，计算出光栅的折射率，并且使用子模块GratingMOD模拟出光栅的频谱响应；接着尝试改变光栅的一些物理参数，以确定影响光栅滤波性能的主要因素。最后使用MOST Optimizer/Scanner跟踪变量变化，不断改变光栅属性，绘制出频谱响应的曲线图或者彩色图等图表，进而比较分析光栅滤波性能的变化，提出优化滤波性能的方案。

为了优化频谱响应和滤波性能，改变光栅的长度、宽度等几何形态，改变光栅的密度分布。修改其纳米尺度的相移、切趾和啁啾等物理参数，利用控制变量法比较这些参数变化时，频谱响应和滤波性能的变化，从而得出更好的光栅的结构和属性。

关键词：光栅；布拉格；波导；滤波；RSoft

Abstract

First, the background and development history of the fiber grating are briefly explained; then the basic working principle of the grating and commonly used scientific analysis methods are explained; then the plane structure of the grating is replaced with Rsoft Photonics CAD Suit software to calculate the refractive index of the grating, and Use the submodule GratingMOD to simulate the spectral response of the grating; then try to change some physical parameters of the grating, which affect the main factors of the grating filtering performance. Finally, the MOST optimizer / scanner is used to track the changes of variables, continuously change the properties of the raster, and transform the spectrum response curve or color chart to compare and analyze the changes of the raster filter performance, and propose a plan to optimize performance.

In order to optimize the spectral response and filtering performance, change the geometry of the grating length and width, and change the density distribution of the grating. Modify its physical parameters such as nanometer-scale phase shift, apodization and chirp, and use the control variable method to compare the changes in the spectral response and filtering performance when these parameters change, thereby obtaining better grating structure and properties.

Keywords: Grating; Bragg; Waveguide; Filtering; RSoft

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的与意义 2

1.3论文内容及章节安排 3

第2章 介绍 4

2.1 波导布拉格光栅结构 4

2.2 发展历史 5

2.3 实际应用 7

2.3.1 半导体激光器 7

2.3.2 光栅耦合器 7

2.5.3 光栅滤波器 8

2.4 本章小结 8

第3章 工作原理与分析方法 9

3.1 工作原理 9

3.1.1 光纤光栅模式理论 9

3.1.2 光纤布拉格光栅传感原理 9

3.2 分析方法 9

3.2.1 耦合模理论 CMT 10

3.2.2 转移矩阵法 TMM 10

3.2.3 时域有限差分法 FDTD 10

3.3 本章小结 11

第4章 设计与仿真 12

4.1 解决方案与工具准备 12

4.2 创建工程与参数设置 13

4.3 折射率计算与分析 16

4.4 运行仿真 18

4.5 本章小结 21

第5章 性能分析与性能优化 22

5.1 滤波性能 22

5.2 修改参数 23

5.2.1 同时改变光栅的宽度和长度 23

5.2.2 改变光栅的长度 27

5.2.3 使用特殊结构 29

5.3 本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1 本文总结 33

6.2 研究展望 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着科学技术水平的不断发展提高，当今世界正是计算机和互联网蓬勃发达的信息时代，信息化已经成为了当今社会的常态，因此存在着爆发式增长的数据，人类日益增长的数据需求在科学技术的不断成熟之时得到不断增长，为保证并满足大数据的时代需求，光通信网络技术已成为支撑起这些庞大的数据的脊梁，它起到了至关重要的作用。另一方面，光电子器件的各项性能参数同样至关重要，若光通信网络技术是保证人们沟通无阻的桥梁，那么这些光电子器件就是那一块块桥梁的基石。桥梁的稳定和高效都取决于这些光电子器件，其在光通信网络传输起着主导作用，所以要保证光电子器件具有稳定、可靠、高速等优良性能。但是，由于传统的光电子器件之间都是互相独立的关系，这样会使得“桥梁”的作用大打折扣，例如会有功耗较高、体积大等各种问题。所以，传统的光电子器件完全无法保证并满足大数据的时代需求，九层之台，起于垒土，信息传输的道路需要这些各式各样的光电子元器件，人们也更加关注这方面的问题。

针对以上产生的问题，光子集成 (Photonic integrated circuit, PIC) 技术也就顺势而出现了，已经成为了当今光通信网络发展的必然趋势。PIC技术其实很早在1969年就已经被提出了，不过由于当时的技术条件受到限制，以及当时并未有如今这么庞大的数据需求，所以未受到很大的重视。直到1994年才有了无源器件集成，到2000年大多使用了有源器件的集成。不过经过时间的推移，PIC早已在技术和成果上都取得了很大的发展和提高。

此外，美国在这些年对高新技术投入巨大的资本，其光子集成技术更加成熟，其技术水平更是处于世界的前沿，并且已经成为了PIC领域的领军者。2015年，为加快光子集成技术进程，美国建立了集成光子学创新机构AIM Photonics。对于我国，由于当时受限于各种状况，在半导体领域的制造技术整体处于落后水平。因为在光通信领域上起步较晚、经验不足、积累时间很短等，所以我国在光通信方面的核心PIC芯片技术上较弱，并且这些核心技术往往会被封锁垄断，PIC国际市场早被其他各企业、国家占据，我国的这些企业勉强能拥有很小的一部分市场。因此需要我们更加全力以赴地进行自主研发。当然我国也存在着诸如光迅科技、华为海思等优秀民族企业，他们深知核心科学技术是企业和国家平稳运行发展的必要因素。综述，我国需要加快核心PIC芯片的研究进程，迫切需要大量优秀的科技人才，对核心的PIC光电子器件进行设计开发，拥有并掌握自主知识产权才是一个企业和国家的命脉。

1.2 研究目的与意义

PIC的光电子器件种类繁多，它们之间结构不同，功能多样化。光调控技术是光通信领域必不或缺的，因为所有的这些光电子器件都需要完成对光的调控环节，才能实现它们的各项功能。而当前可以实现光调控的结构主要有：微环、波导布拉格光栅以及光子晶体等等，其中包含了本文主要研究的波导布拉格光栅。波导布拉格光栅是光通信网络领域中比较重要并且常用的结构之一，在如今超大规模并行光子集成领域中，很多光电子器件都会使用到波导布拉格光栅。

波导布拉格光栅 (Waveguide Bragg Grating) 是集成光子学器件中的一个十分重要的结构，且具有设计灵活、结构紧凑、功能多样等优点，被广泛应用于光栅滤波器、电光调制器、色散补偿器、光栅耦合器和半导体激光器等光器件。大部分这些光栅都具有纳米尺度的相移、切趾或啁啾等，以发挥特定的功能^[1]。

波导布拉格光栅能实现对光的调控，在光电子集成器件的波导上调制具有固定周期或者可变周期的折射率。波导布拉格光栅不但具有容易集成、结构紧凑的优良特点，而且对各种特定的光信息处理有着良好的效果。

本文研究的重点便是一种最普遍的光滤波器——波导布拉格光栅滤波器，研究其设计与仿真，使用这种光栅结构对光的传播进行控制，并且主要分析其滤波性能。在光通信网络中对光信号进行滤波处理是一件必需的事，波导布拉格光栅正好应用于光源滤波器中。基于波导布拉格光栅可构成模式转换器、模式分束器、模式上下路复用与解复用器等器件，是实现高速模分复用技术的核心器件。其还可构成超窄线宽的外腔半导体激光器，是相干光通信系统的理想光源。波导光栅可用于各种光子集成器件里面，比如：分布式反馈激光器 (Distributed Feedback Laser, DFB)、光栅耦合器 (Optical Waveguide Coupler) 等^{[2, 3]}。光子集成芯片可以将有源的电光转换器件和无源的电光转换器件集成到一块，其中有源部分主要用于光源的产生、放大和接收，无源部分比如无源滤波器，是光在传播的过程中，能够对光波长进行选择。波导布拉格光栅也可以叫做短周期波导光栅，这是光纤通信系统中最重要的无源器件之一。所以，研究波导布拉格光栅对光电子传输的发展具有重大意义。

1.3 论文内容及章节安排

本论文主要围绕波导布拉格光栅的设计仿真以及对其进行滤波优化来展开的。首先介绍了波导布拉格光栅的结构、发展史、工作原理和分析方法等等。在对波导布拉格光栅进行相关理论学习研究之后，学习使用仿真模拟软件Rsoft Photonics CAD Suit，绘制波导布拉格光栅的模型，并计算折射率分布以及频谱响应等，对滤波性能进行分析总结，并调整光栅的属性和参数，对其滤波性能做出优化，最后再做出论文总结。本论文具体章节安排如下：

第一章，绪论。本章简单介绍了波导布拉格光栅的研究背景及目的，阐明了波导布拉格光栅在光通信领域中的重要性，对国内外发展情况进行相关的阐述，最后也对论文的主要研究内容和章节结构安排进行了概括；

第二章，介绍。本章理论研究波导布拉格光栅的物理结构，并叙述这种光栅的发展史，最后列出常见的实际应用；

第三章，工作原理和分析方法。本章主要叙述光栅的工作原理，然后介绍几种常用的光栅分析方法，并选用一些方法解释波导布拉格；

第四章，设计与仿真。本章是全文的重点，主要论述如何确定合适的设计仿真的方案，并逐步论述仿真软件RSoft的具体使用。用此软件绘制出光栅模型，接着计算出其折射率分布以及频谱响应等性能参数；

第五章，性能分析。本章是对上一章的光栅性能的频谱进行分析然后提出优化。采用控制变量法，修改光栅的一些属性，对比与总结修改怎样的参数能使光栅的效果更佳；

第六章，总结与展望。本章对全文进行了系统性的总结，给出本文的研究结果，如何优化波导布拉格光栅的滤波性能。并对光栅的研究工作做出展望。

第2章 介绍

2.1 波导布拉格光栅结构

在光电子集成技术 (PIC) 中，波导布拉格光栅是一种可以实现周期性折射率变化的波导结构^[4]。所以说波导布拉格光栅有很多种实现方式，它的结构各式各样。常见的几种不同结构的波导布拉格光栅例如：

① 波导布拉格光栅通过在两条波导中间刻蚀小孔的方式形成，这是2011年由英属哥伦比亚大学 (加拿大) 的WeiShi小组制作，主要是用来实现光的反向耦合。

② 在波导两侧刻蚀周期性的齿状结构，形成波导侧壁光栅，这是由美国麻省理工的J. T. Hastings等人在2016年采用空间相位固定的电子束刻蚀技术一步制作得到的。