波导布拉格光栅的设计、应用与实现

逍遥设计自动化

引言
+ K: t, o; u# b- v# I0 `/ U# N波导布拉格光栅（WBGs）是现代光子系统中的基础组件，在信号处理和滤波方面具有多样化的功能。这种结构能够精确控制光的传输特性，在生物传感到量子计算等多个领域都有广泛应用。本文介绍波导布拉格光栅的工作原理、设计考虑因素以及实际应用实现[1]。

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波导布拉格光栅的基本原理
波导布拉格光栅通过波导结构的周期性调制来实现对光传输的控制。根据有效波长与光栅周期之间的关系，光与周期结构的相互作用会产生三种不同的响应效果。

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图1：周期性结构中的波动：(a) 波导结构的周期性调制对光流的影响，(b) 耦合模式理论演示，(c) 显示基模分裂的色散图。
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0 [( h$ k' H: Y' W( q9 n5 F: s0 s7 T当有效波长约为周期的两倍时，反射波会发生相干叠加，导致反射功率增加。当有效波长较大时，光波无法完全分辨调制结构，这会导致透射增强，这种现象在亚波长光栅中得到了应用。相反，当有效波长小于共振波长时，会发生向衬底和包层的散射，这构成了光栅耦合器的基础。
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: P1 m/ t- u7 i设计框架与仿真
开发有效的波导布拉格光栅需要将理论建模与实际考虑因素相结合的复杂设计方法。该框架的关键组成部分是将耦合模式理论（CMT）与三维有限元方法（FEM）本征频率计算相结合。
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图2：仿真和设计框架展示：(a) 光栅单元设计，(b) 有限元方法仿真，(c) 耦合系数提取，(d) 自耦合系数分析。

设计过程始于创建单个光栅单元，其中波导宽度通过两个独立控制幅度的半正弦曲线进行调制。这种参数化方法在保证制造可行性的同时，允许精确控制耦合特性。仿真框架采用周期性边界条件来高效计算本征频率，实现对参数化光栅单元耦合系数的精确提取。
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& \. f4 |* _  u. V5 X电信应用与实现
波导布拉格光栅在电信领域的一个重要应用是作为精确的波长滤波器。这些器件的实现需要仔细考虑制造工艺和材料特性。

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图3：调幅波导布拉格光栅显示：(a) 具有高斯窗的耦合系数，(b) 物理设计参数，(c) 已制造器件图像，(d) 不同周期的传输谱。
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为实现最佳滤波性能，通常使用高斯窗口对耦合系数进行调制，同时保持自耦合系数恒定以避免非对称反射谱。物理实现涉及光栅单元参数的精确控制，通常使用电子束光刻和反应离子刻蚀工艺进行制造。

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3 p+ E6 L6 C  i8 K可见光波长应用
波导布拉格光栅在可见光谱领域也有重要应用，特别是在光量子技术应用中。设计原理扩展到创建有效的长通滤波器，可以分离激发激光光和量子发射器信号。
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图4：宽带可见光滤波器显示：(a) 具有基本模式带的色散图，(b) 已制造器件图像，(c) 测量的传输谱展示滤波性能。

在可见光波长范围内，波导布拉格光栅可以设计成利用辐射模式的耦合，有效滤除不需要的波长，同时保持所需信号的高透射率。这种能力在光量子技术应用中特别有价值，可以有效分离泵浦光和单光子发射。
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4 f3 \' N0 ^* d3 {( v  `& h) N$ J可见光波长波导布拉格光栅的设计方法必须考虑与电信应用相比不同的材料特性和制造限制。使用五氧化钽（TaO）等材料能够在可见光谱范围内有效工作，同时保持与标准制造工艺的兼容性。
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通过精心设计和实现，波导布拉格光栅在集成光电子线路中提供了多功能的光操控平台，支持从电信到量子信息处理等多种应用。理论理解与实际设计考虑的结合使得在不同波长范围内开发高效且实用的器件成为实际。

参考文献
) K: C3 M& K) [- D7 e* t[1] F. Brückerhoff-Plückelmann et al., "General design flow for waveguide Bragg gratings," Nanophotonics 2025; aop, https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0498, published online Jan. 28, 2025.
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