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1.4 本论文主要内容与创新性
本论文研究的是中红外波段（4μm~5μm）用于硅光子器件的波导光栅耦合器，旨
在解决光集成技术中光纤与 SOI 光波导的耦合问题， 我们的主要目标是设计出这一研
究条件下的高耦合效率的带宽光栅耦合器。
1.4.1 本论文章节安排
第一章介绍了本论文的研究背景和重要意义。光学信息系统有着电学系统不可比
拟的优势，而光集成技术又是未来光器件的主流发展方向。为了提高集成度，人们发
展了硅光子学，但是 SOI 波导的高折射率差又提出了模斑匹配问题。光栅耦合器是解
决这一问题的有效方案。对于中红外应用，本论文对材料特性进行了简要讨论。
第二章介绍了光栅耦合器的理论分析方法及数值模拟工具。本论文首先介绍了耦
合模的一般理论与光栅耦合的相位匹配条件，分析了输出耦合与输入耦合时耦合效率
的计算方式；然后，用体电流法推导出的公式讨论了光栅细节对耦合效率的影响；最
后，本论文简要介绍了数值工具本征模展开法的基本原理与优势。
第三章详细介绍了中红外光栅耦合器的设计与优化过程。首先选择光栅耦合器的
工作状态和初始结构，然后进行结构参数的简单优化，接着通过底部增加多层介质反
射层进一步提高了耦合效率，最后本论文讨论了非光栅耦合器的原理和设计方法。这
一章中还对设计的光栅耦合器的偏振与带宽特性进行了分析。
第四章简要分析了第三章中设计的光栅耦合器的对准容差与制造容差，评价了其
实际应用中的性能。
最后，本论文对全文进行了总结，并提出了进一步研究的设想。
1.4.2 本论文创新性
本论文讨论了用于中红外波段（4μm~5μm）的光栅耦合器，而这一波段的硅光子
器件研究甚少，因此问题的提出本身就具有一定的创新性。
理论分析方法方面，本论文将体电流法应用于强限制波导光栅耦合器的分析，并
讨论了由此推出的解析公式对光栅精细结构的依赖关系，从而指导光栅初始结构的选
取。这在前人的文献中是不常见的。
本论文设计的增加底部反射层的中红外光栅耦合器无论从耦合效率（80.0%）还
是带宽特性（370nm）上都比常见的光栅耦合器性能优越，这一方面是长波长工作本
身所具有的优点，另一方面也是我们经过严谨有序的优化设计过程而得到的结果。
此外，本论文还讨论了非均匀光栅耦合器在中红外波段实现的可行性。
2 理论分析与数值模拟
本章将介绍光栅耦合器的理论分析方法及数值模拟工具。耦合模理论（coupled
mode theory）在光波导器件中有着广泛应用，将它应用于光栅耦合器能够得出耦合效
率、耗散系数等众多有用的结论； 基于微扰近似的体电流法 （Volume Current Method，
VCM）则更深刻地揭示了光栅耦合器的物理机制，有利于细节设计。这两种理论分析
方法建立了光栅耦合器的数学模型，对于理解耦合过程的内在规律很有帮助并能据此
给出设计的初始结构。本征模展开法（EigenMode Expansion，EME）能够精确地计算
出场分布，是对初始结构进一步优化设计的数值模拟工具。
2.1 耦合模理论
2.1.1 耦合模的一般理论
用已知的无扰动波导的本征模来处理扰动波导的传输状态的方法，叫做耦合模理
论。我们知道本征模（包括离散的导模和连续的辐射模）是麦克斯韦方程组满足特定
边界条件的解，它们的横向分量构成一个正交完备系，因此扰动波导中的任何场分布
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