CN115808738B - 一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法，属于光栅耦合技术领域。解决了现有硅上锗(Ge‑on‑Si)平台光栅耦合效率低的问题。其技术方案为：耦合器由硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构、输出窄锗波导组成；仿真方法包括以下步骤：S1、设计光栅的周期和占空比；S2、光栅耦合器建模；S3、优化不同入射角度下的耦合效率；S4、优化环形结构不同内半径下的耦合效率；S5、优化环形结构不同外半径下的耦合效率；S6、优化环形结构不同位置下的耦合效率；S7、优化环形结构不同开口角度下的耦合效率。本发明的有益效果为：提高了Ge‑on‑Si光栅耦合器的耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及光栅耦合技术领域，尤其涉及一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法。
背景技术
光栅耦合器是一种通过在芯片波导中引入周期性刻槽结构，由比利时根特大学的D.Taillaert等人于2002年基于Ⅲ-V族材料衬底首次设计实现。光栅耦合器利用布拉格衍射条件，实现光纤和芯片中光波的耦合。高性能中红外(MIR)光子电路是许多应用所必需的，包括环境监测、医疗诊断或自由空间通信。而中红外(3μm-20μm)光栅耦合器在中红外光子电路中发挥着重要的作用。在这种情况下，硅、锗等Ⅳ族材料因其具有独特的潜力，可以利用成熟的微电子设备，以低成本的方式大量生产，并应用于中红外波段的器件中。另外，锗的光谱透明窗口可以完全覆盖6-15μm的指纹区，在该区域可以区分分子的复杂振动特征，从而能够明确地识别分子的种类。因此，受锗的优异性能的激励，研究人员已经致力于开发基于锗的中红外光谱平台，如Ge-on-Si(硅上锗)波导，Ge-on-insulator(绝缘体上锗)波导，Ge-on-Si-on-insulator(绝缘体上硅上锗)波导。所以，为了把光能够很好的耦合进基于锗的波导，利用基于锗的光栅耦合器是一种有效的方法。然而，由于锗的高折射率(4.0)以及锗与硅之间折射率0.6的中等对比度的影响，基于锗的光栅耦合器面临着高背反射，低方向性和低耦合强度的问题，特别是对Ge-on-Si波导具有很大的影响。为了解决上述的问题，许多研究者提出了浅刻蚀的办法，这样可以使得更多的光局限于锗波导上，以此来提高耦合效率。但是，浅刻蚀需要进行二次刻蚀，这一定程度上增加了成本的投入以及时间的消耗。因此，一种可以通过简单的制造工艺就可以实现高耦合效率的办法是我们迫切需要的。
如何在提高Ge-on-Si中红外光栅耦合器的耦合效率的同时，实现简单的制造工艺，缩小制造成本，为本发明所研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器及其仿真方法，本发明提供了一种基于Ge-on-Si平台的高耦合效率的中红外光栅耦合器，相比于传统的Ge-on-Si结构的中红外光栅耦合器，耦合效率得到了很大的提升，该中红外光栅耦合器是基于均匀锥形光栅和单个环形结构，该中红外光栅耦合器结构简单，是全刻蚀结构，工艺上避免了二次刻蚀，节省了制作成本，且具有高耦合效率。
本发明是通过如下措施实现的：一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，所述中红外光栅耦合器是均匀锥形光栅和单个环形结构；由硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构和输出窄锗波导组成。
其中，所述宽锗波导的一端与锗材料均匀锥形光栅的一端相连，所述锗材料均匀锥形光栅的另一端与锗材料环形结构的一端相连，所述锗材料环形结构的另一端与输出窄锗波导相连，所述硅衬底的上表面与宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的下表面相接，所述入射光纤在锗材料均匀锥形光栅的上方。
进一步地，所述硅衬底的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)-Palik材料。
进一步地，所述锗材料均匀锥形光栅的包括宽度不变的均匀光栅和宽度渐变的锥形光栅；所述宽度不变的均匀光栅的宽度为40μm；所述宽度渐变的锥形光栅的宽度由40μm变化到12μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比(w/P)分别为4.5μm和0.5。
进一步地，输出窄锗波导的宽度为4μm。
进一步地，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的厚度皆为2μm。
进一步地，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)-Palik材料。
进一步地，所述入射光纤的入射光是中心波长为7μm的高斯光束。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的仿真方法，在仿真过程中，使用商业软件Lumerical FDTD软件对该中红外光栅耦合器进行仿真，具体包括以下步骤：
S1、根据光栅耦合机理的布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，在中心波长为7μm，衍射阶数为2阶的条件下，设计了所述锗材料均匀锥形光栅的光栅周期和占空比分别为4.5μm和0.5；
S2、使用商业软件Lumerical FDTD软件对所述硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构、输出窄锗波导进行建模；所述硅衬底的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)-Palik材料；所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)-Palik材料；所述入射光纤的输出光是中心波长为7μm的高斯光束；所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的x，y，z方向上的仿真边界条件皆为PML完美匹配层的条件；
S3、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的外半径R，内半径r，位置d和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm，3.55μm和120°；改变所述入射光纤的入射角度θ，得到所述入射光纤不同入射角度下的耦合效率；
S4、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的外半径R，位置d和开口角度α分别为7.15μm，3.55μm和120°；所述入射光纤的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构的内半径r，得到所述锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率；
S5、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的内半径r，位置d和开口角度α分别为6.15μm，3.55μm和120°；所述入射光纤的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构的外半径R，得到所述锗材料环形结构不同外半径下的耦合效率；
S6、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构的外半径R，内半径r和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm和120°；所述入射光纤的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构的位置d，得到所述锗材料环形结构不同位置下的耦合效率；
S7、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构5的外半径R，内半径r和位置d分别为7.15μm，6.15μm和3.55μm；所述入射光纤的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构的开口角度α，得到所述锗材料环形结构不同开口角度下的耦合效率。
进一步地，所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器仿真的背景折射率为1。
如图1所示，是本发明的中红外光栅耦合器的建模三维图。
如图2所示，是本发明的中红外光栅耦合器的x-z平面的二维图。
如图3所示，是本发明的中红外光栅耦合器的所述锗材料环形结构的x-y平面二维图。
如图4所示，是所述入射光纤不同入射角度下的耦合效率图，当所述入射角度为15°时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图5所示，是所述锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率图，当所述内半径为6.15μm时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图6所示，是所述锗材料环形结构不同外半径下的耦合效率图，当所述外半径为7.15μm时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图7所示，是所述锗材料环形结构不同位置下的耦合效率图，当所述位置为4.35μm时，可得最大的耦合效率为8.61％。
如图7所示，是所述锗材料环形结构不同开口角度下的耦合效率图，当所述开口角度为110°时，可得最大的耦合效率为8.35％。
本发明的工作原理：本发明的光栅耦合机理主要是根据布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，以此来得到不同结构参数和耦合状态下光波的衍射特性。本发明光栅耦合器的衍射由相位匹配条件决定：
其中λ是波长，k是衍射级数，nB是所述光栅区域Bloch-Floquet模式的有效折射率，θk是所述入射光纤的入射角度，P是所述光栅的周期，nuc是所述光栅耦合器上包层的折射率，这里是空气nuc＝1，因为Ge-on-Si光栅可以受益于其高有效折射率，所以可以产生高衍射级的单光束辐射，当入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢条件相匹配时，可以达到比较好的耦合效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明是基于均匀锥形光栅和单个环形结构的光栅耦合器。均匀锥形光栅在将入射光纤的入射光耦合进锗波导的同时也作为模斑转换器使用。传统的光栅耦合器是均匀光栅和锥形波导组成，锥形波导是作为模斑转换器，但这种传统的光栅耦合器中锥形波导的长度大约要几百微米，这大大增加了光栅耦合器的尺寸，不利于器件的集成化。而本发明提出的光栅耦合器的均匀锥形光栅的整体长度尺寸约90微米，相比于传统的光栅耦合器，本发明提出的光栅耦合器具有尺寸小，易于集成的优点。因此，本发明的中红外光栅耦合器在中红外光子集成领域会有很好的应用前景。
2、本发明是基于均匀锥形光栅和单个环形结构的全刻蚀结构，在锗波导层中刻蚀出周期性的槽，形成光栅结构，通过布拉格衍射原理，将光纤中输入的光衍射到水平方向，耦合进锗波导中去。与浅刻蚀的光栅耦合器相比，全刻蚀结构的光栅耦合器不需要制作mark标记和进行二次刻蚀的对准操作，只需要在确定刻蚀深度的情况下，一次刻蚀就可以完成光栅耦合器的工艺制作。与需要二次刻蚀的光栅耦合器相比，全刻蚀光栅耦合器制作简单，节省了制作成本和时间的消耗。
3、本发明中红外光栅耦合器采用了单个环形结构的聚焦作用，采用环形结构代替直线型的栅齿结构，利用环形结构的聚焦作用将入射光纤照射到光栅耦合器表面的入射光更多的耦合到输出窄波导上，一定程度上减小了耦合光的反射，使得更多的光耦合进窄波导并向前传输。提高了Ge-on-Si平台中红外光栅耦合器的耦合效率。推动了Ge-on-Si平台在中红外光子集成领域的发展与应用。
4、本发明中红外光栅耦合器的环形结构的设计对耦合效率产生了较大的影响。通过对环形结构的外半径，内半径，位置，开口角度的优化仿真，获得了每个参数下的最优的耦合情况。仿真结果表明，每个参数下获得的最优耦合效率都比传统结构的耦合效率(4％)高。且当环形结构的位置在d＝4.35μm处时，可得最大的耦合效率，最大的耦合效率为8.61％，是传统结构光栅耦合器耦合效率(4％)的2倍。这说明d＝4.35μm时的环形结构位置可以有效的将入射光更多的耦合进输出窄锗波导上，是光栅耦合器耦合的最佳位置。
5、本发明是基于Ge-on-Si平台的中红外光栅耦合器，创造性地将锥形光栅和聚焦环形结构结合起来，提高了Ge-on-Si平台中红外光栅耦合器的耦合效率，获得的最大的耦合效率是传统结构的2倍以上。高耦合效率的实现促进了Ge-on-Si平台在中红外光子集成电路中的应用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的中红外光栅耦合器的结构示意图。
图2为本发明的中红外光栅耦合器的x-z平面的示意图。
图3为本发明的中红外光栅耦合器的所述锗材料环形结构的x-y平面示意图。
图4为本发明所述入射光纤不同入射角度下的耦合效率示意图。
图5为本发明所述锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率示意图。
图6为本发明所述锗材料环形结构不同外半径下的耦合效率示意图。
图7为本发明所述锗材料环形结构不同位置下的耦合效率示意图。
图8为本发明所述锗材料环形结构不同开口角度下的耦合效率示意图。
其中，附图标记为：1、硅衬底；2、宽锗波导；3、锗材料均匀锥形光栅；4、入射光纤；5、锗材料环形结构；6、输出窄锗波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1至图8，本发明提供其技术方案为，一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，中红外光栅耦合器基于均匀锥形光栅和单个环形结构；由硅衬底1、宽锗波导2、锗材料均匀锥形光栅3、入射光纤4、锗材料环形结构5、输出窄锗波导6组成；
其中，宽锗波导2的一端与锗材料均匀锥形光栅3的一端相连，锗材料均匀锥形光栅3的另一端与锗材料环形结构5的一端相连，锗材料环形结构的另一端与输出窄锗波导6相连，硅衬底1的上表面与宽锗波导2、锗材料均匀锥形光栅3、锗材料环形结构5和输出窄锗波导6的下表面相接，所述入射光纤4在锗材料均匀锥形光栅3的上方。
优选地，硅衬底的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)-Palik材料。
优选地，锗材料均匀锥形光栅的包括宽度不变的均匀光栅和宽度渐变的锥形光栅；宽度不变的均匀光栅的宽度为40μm；宽度渐变的锥形光栅的宽度由40μm变化到12μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比(w/P)分别为4.5μm和0.5。
优选地，输出窄锗波导的宽度为4μm。
优选地，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的厚度皆为2μm。
优选地，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构、输出窄锗波导的材料属性定义为Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)-Palik材料。
优选地，所述入射光纤的入射光是中心波长为7μm的高斯光束。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的仿真方法，在仿真过程中，使用商业软件Lumerical FDTD软件对该中红外光栅耦合器进行仿真，具体包括以下步骤：
S1、根据光栅耦合机理的布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，在中心波长为7μm，衍射阶数为2阶的条件下，设计了锗材料均匀锥形光栅的光栅周期和占空比分别为4.5μm和0.5；
S2、使用商业软件Lumerical FDTD软件对硅衬底、宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、入射光纤、锗材料环形结构、输出窄锗波导进行建模；硅衬底的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)-Palik材料；宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)-Palik材料；入射光纤的输出光是中心波长为7μm的高斯光束；基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的x，y，z方向上的仿真边界条件皆为PML(完美匹配层)条件；
S3、在基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；锗材料环形结构的外半径R，内半径r，位置d和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm，3.55μm和120°；改变入射光纤的入射角度θ，得到入射光纤不同入射角度下的耦合效率；
S4、在基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；锗材料环形结构的外半径R，位置d和开口角度α分别为7.15μm，3.55μm和120°；入射光纤的入射角度θ为15°；改变锗材料环形结构的内半径r，得到锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率；
S5、在基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；锗材料环形结构的内半径r，位置d和开口角度α分别为6.15μm，3.55μm和120°；入射光纤的入射角度θ为15°；改变锗材料环形结构的外半径R，得到锗材料环形结构不同外半径下的耦合效率；
S6、在基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；锗材料环形结构的外半径R，内半径r和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm和120°；入射光纤的入射角度θ为15°；改变锗材料环形结构的位置d，得到锗材料环形结构不同位置下的耦合效率；
S7、在基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，宽锗波导、锗材料均匀锥形光栅、锗材料环形结构和输出窄锗波导的厚度皆为2μm；锗材料均匀锥形光栅的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；锗材料环形结构的外半径R，内半径r和位置d分别为7.15μm，6.15μm和3.55μm；入射光纤的入射角度θ为15°；改变锗材料环形结构的开口角度α，得到锗材料环形结构不同开口角度下的耦合效率。
优选地，基于单个环形结构的中红外光栅耦合器仿真的背景折射率为1。
如图1所示，是本发明的中红外光栅耦合器的建模三维图。
如图2所示，是本发明的中红外光栅耦合器的x-z平面的二维图。
如图3所示，是本发明的中红外光栅耦合器的所述锗材料环形结构的x-y平面二维图。
如图4所示，是所述入射光纤不同入射角度下的耦合效率图，当所述入射角度为15°时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图5所示，是所述锗材料环形结构不同内半径下的耦合效率图，当所述内半径为6.15μm时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图6所示，是所述锗材料环形结构不同外半径下的耦合效率图，当所述外半径为7.15μm时，可得最大的耦合效率为8.25％。
如图7所示，是所述锗材料环形结构不同位置下的耦合效率图，当所述位置为4.35μm时，可得最大的耦合效率为8.61％。
如图7所示，是所述锗材料环形结构不同开口角度下的耦合效率图，当所述开口角度为110°时，可得最大的耦合效率为8.35％。
本发明的工作原理：本发明的光栅耦合机理主要是根据布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，以此来得到不同结构参数和耦合状态下光波的衍射特性。本发明光栅耦合器的衍射由相位匹配条件决定：
其中λ是波长，k是衍射级数，nB是所述光栅区域Bloch-Floquet模式的有效折射率，θk是所述入射光纤的入射角度，P是所述光栅的周期，nuc是所述光栅耦合器上包层的折射率，这里是空气(nuc＝1)。因为Ge-on-Si光栅可以受益于其高有效折射率，所以可以产生高衍射级的单光束辐射。当入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢条件相匹配时，可以达到比较好的耦合效果。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述中红外光栅耦合器由硅衬底(1)、宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、入射光纤(4)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)组成；
其中，所述宽锗波导(2)的一端与锗材料均匀锥形光栅(3)的一端相连，所述锗材料均匀锥形光栅(3)的另一端与锗材料环形结构(5)的一端相连，所述锗材料环形结构的另一端与输出窄锗波导(6)相连，所述硅衬底(1)作为基底，硅衬底(1)的上表面与宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的下表面相接，所述入射光纤(4)放置于锗材料均匀锥形光栅(3)的上方；
所述宽锗波导(2)的宽度为30-40μm；
所述输出窄锗波导(6)的宽度为3μm至4μm。
2.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述锗材料均匀锥形光栅(3)包括宽度不变的均匀光栅和宽度渐变的锥形光栅；所述宽度不变的均匀光栅的宽度为40μm；所述宽度渐变的锥形光栅的宽度由40μm变化到12μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比(w/P)分别为4.5μm和0.5。
3.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述入射光纤(4)的入射光为中心波长为7μm的高斯光束。
4.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述锗材料环形结构(5)的内半径和外半径分别为r和R；所述锗材料环形结构(5)的开口角度为α；所述锗材料环形结构(5)的位置定义为所述锗材料环形结构(5)的内半径的边缘中心距离所述输出窄锗波导(6)边缘中心的长度d。
5.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm至3μm。
6.根据权利要求1所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器，其特征在于，所述入射光纤(4)的入射角度为θ，范围为0至20度。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据光栅耦合机理的布拉格衍射条件，基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，在中心波长为7μm，衍射级数为2阶的条件下，设计了所述锗材料均匀锥形光栅(3)的光栅周期和占空比分别为4.5μm和0.5；
基于入射光、光栅矢量和出射光三者的波矢匹配条件，得到不同结构参数和耦合状态下光波的衍射特性，光栅耦合器的衍射由相位匹配条件决定：
其中λ是波长，k是衍射级数，nB是光栅区域Bloch-Floquet模式的有效折射率，θk是所述入射光纤的入射角度，P是所述光栅的周期，nuc是所述光栅耦合器上包层的折射率，这里是空气nuc＝1，因为Ge-on-Si光栅受益于其高有效折射率，产生高衍射级的单光束辐射；
S2、使用Lumerical FDTD软件对所述硅衬底(1)、宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、入射光纤(4)、锗材料环形结构(5)、输出窄锗波导(6)进行建模；所述硅衬底(1)的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Si(Silicon)-Palik材料；所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的材料属性使用的是Lumerical FDTD软件材料库里的Ge(Germanium)-Palik材料；所述入射光纤(4)的输出光是中心波长为7μm的高斯光束；所述的基于单个环形结构的中红外光栅耦合器的x，y，z方向上的仿真边界条件皆为PML条件；
S3、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构(5)的外半径R，内半径r，位置d和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm，3.55μm和120°；改变所述入射光纤(4)的入射角度θ，得到所述入射光纤(4)不同入射角度下的耦合效率；
S4、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构(5)的外半径R，位置d和开口角度α分别为7.15μm，3.55μm和120°；所述入射光纤(4)的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构(5)的内半径r，得到所述锗材料环形结构(5)不同内半径下的耦合效率；
S5、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构(5)的内半径r，位置d和开口角度α分别为6.15μm，3.55μm和120°；所述入射光纤(4)的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构(5)的外半径R，得到所述锗材料环形结构(5)不同外半径下的耦合效率；
S6、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构(5)的外半径R，内半径r和开口角度α分别为7.15μm，6.15μm和120°；所述入射光纤4的入射角度θ为15°；改变所述锗材料环形结构(5)的位置d，得到所述锗材料环形结构(5)不同位置下的耦合效率；
S7、在所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器中，所述宽锗波导(2)、锗材料均匀锥形光栅(3)、锗材料环形结构(5)和输出窄锗波导(6)的厚度皆为2μm；所述锗材料均匀锥形光栅(3)的周期和占空比分别为4.5μm和0.5；所述锗材料环形结构(5)的外半径R，内半径r和位置d分别为7.15μm，6.15μm和3.55μm；所述入射光纤(4)的入射角度(θ)为15°；改变所述锗材料环形结构(5)的开口角度α，得到所述锗材料环形结构(5)不同开口角度下的耦合效率。
8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述基于单个环形结构的中红外光栅耦合器仿真的背景折射率为1。
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