1．目的及意义

1.1研究目的及意义

波导与光纤的耦合方式按其耦合方向划分，可分为端面耦合与离面藕合。端面耦合，即在水平方向通过波导端面实现波导与光纤的藕合，而离面耦合是指光场通过光波导表面，在竖直或倾角方向输出并实现波导与光纤的藕合。

目前为止，光纤与波导的端面耦合中，使用较为广泛的是磨锥透镜光纤耦合方式。由于其制备工艺相对简单，藕合效率较高，所以在波导与光纤的藕合中应用较为成熟。但与此同时，端面耦合对波导与光纤的对准要求很高，且由于只能在端面处进行对准耗合，限制了波导与光纤耦合的灵活性。例如在应用于高集成度光波导器件时，端面藕合方式无法实现在集成光波回路的任意位置处提取光信号。

波导光栅耦合器增加了波导的复杂程度，但是由于在波导表面刻蚀光栅结构，使波导与光栅的藕合可在芯片表面完成，相对于端面耦合，其灵活性大为增强。其次，波导光栅藕合器的离面耦合主要通过光栅完成，对于光纤处理要求不高，封装难度也大为降低。第三，波导光栅藕合器的制备过程可以与平面波导的制备过程相匹配，因此并未过于提高制备过程的复杂程度。因此有很大的研究意义。

1.2国内外现状及发展趋势

随着光通信科技的不断发展，光纤与波导在实际通信当中的应用愈发广泛，如何实现波导与光纤之间高效易用的耦合，成为国内外争先研究的问题。端面耦合作为一种发展较为成熟的耦合方式，已经得到了广泛的应用。

波导光栅耦合器是近年发展非常良好的一种波导与光纤的耦合方式，它通过在波导表面制备光栅结构，可实现波导与光纤的离面耦合，理论藕合效率可以达到90%以上。这种耦合方式使波导与光纤的耦合灵活性大为增强，且显著改善了器件的空间利用率和集成度。

光栅是指折射率成周期性变化的结构，按照其作用可分为透射光栅和反射光栅，波导光栅藕合器是指在波导的芯层刻蚀光栅结构，使光通过光栅藕合进入光纤，透射光栅可以理解为在光栅表面存在无数个小的点光源，无数点光源发射出的光进行干涉，改变了光的传输模场尺寸，从而耦合进入尺寸相对较大的光纤。波导光栅藕合器还有另外一种结构，即在波导的芯层与下包层之间刻蚀光栅，这时的光栅起到反射光栅的作用，光经过反射后，藕合进入波导。

国内外对于光栅藕合器的研究已经取得了很好的效果。波导光栅藕合器的主要制备材料有SOI硅绝缘体，磷化锢薄膜，聚合物等，根特大学对SOI硅绝缘体波导光栅耦合器进行结构设计，在实验上已经可以测得80%以上的藕合效率，根据对波导光栅藕合器能量损耗的研究，波导与光纤的耦合损耗包括三部分:(a).部分光向下传输发生衬底损耗(b)波导与光纤之间的模斑损耗(c)二级布拉格衍射发生的反射损耗。其中最后一部分损耗可以通过光纤与波导之间的角度藕合避免，或者在波导光栅前端刻蚀较深沟槽防止反射的发生。大部分增加光栅准直性的方法涉及衬底处理工艺，将向下传输的光反射重新进入波导并向上藕合。将光栅设计成倾斜的平面，也可以提高光的准直性，使其向指定的方向进行耦合，根特大学在2006年通过在波导光栅耦合器上增加硅阵列的方法，将耦合效率从-2.6dB提高至-1.6dB。InP磷化铟薄膜波导光栅藕合器也可以达到较高的藕合效率，但由于其包层与芯层折射率较高，折射率差小，因此需要通过改变下包层的折射率来提高准直性。聚合物芯层与包层折射率差较小，耦合效率一般较低。奥地利研究中心微纳系统研究小组使用SU8聚合物制备波导光栅藕合器，理论上可以达到10%以上的藕合效率。