CN114167545B - 一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法，属于耦合器技术领域；其技术方案为：超紧凑绝热模式耦合器的设计方法包括以下步骤：步骤1：绝热模式耦合器的分段：耦合器分为C和D两部分，由于结构的对称性，只考虑C部分，将C部分分为15个不同的片段进行仿真；步骤2：确定每个片段的长度；步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状；步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式耦合器的传输曲线；步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。本发明的有益效果是：本发明实现一个波导中光束功率部分或完全耦合到另一个波导，其结构简单、尺寸小、带宽大、易加工。

Description

一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法

技术领域

本发明涉及耦合器技术领域，尤其涉及一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法。

背景技术

基于SOI结构的硅波导因其与互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor,CMOS)工艺的制造兼容性以及良好的模式限制和增强的非线性而引起了广泛关注。不同器件中的波导通常设计成不同的截面，以实现不同的功能。绝热耦合器为这些器件提供连接，绝热耦合器包含两个足够靠近的波导，它们各自的光学模式的部分场彼此重叠，其中一个波导中光束功率可以部分或完全耦合到另一个波导，是光子集成回路中连接各种光学功能单元的“连接器”，在未来大规模光子集成芯片中具有重要的作用。

在设计绝热耦合器时，虽然可以简单地线性改变波导结构扫描总长度，来获得特定传输功率下所需的器件长度，但通过这种方式得到的器件长度会明显超出所需要的长度。现有关于绝热器件的设计都是基于方程组的解析求解，通常需要一些假设和近似，并且存在结构复杂、不易加工等问题。

如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法，本发明将提出一种数值设计方法，实现一种超紧凑的绝热模式耦合器，实现一个波导中光束功率部分或完全耦合到另一个波导，其结构简单、尺寸小、带宽大、易加工。这种紧凑的绝热模式耦合器构成了光子集成回路系统的关键组件，在未来大规模光子集成芯片中具有重要的作用。

本发明是通过以下措施实现的，本发明通过使用在绝缘体上硅薄膜衬底上的硅波导板上制成的绝热模式耦合器来说明设计过程，绝热模式耦合器的两个波导，波导A和波导B彼此紧靠放置，其中，Si波导的高h＝0.3μm。两个Si波导的宽度分别标记为w₁和w₂，波导之间的间隙宽度标记为g，光学波长为1.55μm。

两个波导的宽度w₁和w₂沿传播方向x逐渐变化，在耦合器的一端(输入平面x＝x_I＝0)，第一个宽度为w₁的波导较窄，第二个宽度为w₂的波导较宽，在另一端(输出平面x＝x_I＝L)，第一个波导由窄变宽，第二个波导由宽变窄，在中心x＝x_C＝L/2处，两个波导的宽度变得相等，此位置称为相位匹配平面。

本发明的目的是设计绝热模式耦合器，使需要的模式能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将其模态功率从一个波导耦合到另一个波导，同时需要将其他不必要的耦合高阶模式或辐射模式降到最低。

本发明是基于绝热模式耦合器设计的基本原理：2009年，Yariv等人提出了设计绝热耦合器的一种通用标准，表达式如下：

其中，κ是耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度，ε是损耗百分比，γ＝δ/κ，其中δ是独立非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数。

本发明的提供的一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：绝热模式耦合器的分段

耦合器分为两部分(C和D部分)，由于结构的对称性，只需要考虑C部分，将C部分分为15个不同的片段进行仿真；

偶数本征模式e_e和奇数本征模式e_o的传播常数分别为和/>所以非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数表达式为/>

因此，耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度为并且γ定义为γ＝δ/κ；

通过使用FDTD模拟仿真，可以得到各个片段的以上参数。

步骤2：确定每个片段的长度

对于每个片段，通过使用方程(1)来确定每一段的长度，本发明中在方程(1)中取等号，即

由方程(2)可以得到

其中，

通过步骤1中的FDTD仿真模拟参数，由方程(3)就可以得到各个片段的长度。

步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L来构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状。

步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式耦合器的传输曲线；

步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。

本发明将设计的绝热锥形波导与直线连接输入端和输出端的情况进行比较，可以看出，对于相同的功率传输，本发明设计的绝热锥形波导长度比基于直线情况下的长度要短很多，表明了本发明方法设计的绝热耦合器的紧凑性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的目的是设计绝热模式耦合器，使需要的模式能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将其模态功率从一个波导耦合到另一个波导，同时需要将其他不必要的耦合，高阶模式或辐射模式降到最低。

2、本发明将设计的绝热锥形波导与直线连接输入端和输出端的情况进行比较，对于相同的功率传输，本发明设计的绝热锥形波导长度比基于直线情况下的长度要短很多，表明了本发明方法设计的绝热耦合器的紧凑性。

3、本发明对绝热模式耦合器分段后，对每一段长度的选择方式，以数值化的方式实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热模式耦合器。

4、本发明通过对绝热模式耦合器进行分段，使用方程(3)来确定每一段的长度，从而节省计算时间，提高设计效率。

5、通过数值化的方式，即将绝热模式耦合器进行分段，从而实现超紧凑型的绝热模式耦合器。

6、本发明设计简单，并且设计出的器件尺寸小、结构简单、带宽大、易加工。

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为本发明实施例中耦合波导系统示意图；其中，(a)为绝热模式耦合器横截面图；(b)为绝热模式耦合器的俯视图，其中列出了输入平面、相位匹配平面以及输出平面上的局部模式e_e和e_o的模式轮廓图。

图2为本发明实施例中中非耦合波导系统示意图；其中，(a)横截面；(b)俯视图。

图3为本发明实施例中展示通过方程(2)获得各个片段的长度示意图。

图4为本发明实施例中的耦合器几何形状示意图。

图5为本发明实施例得到的完整器件的功率传输曲线与直线连接情况下的功率传输曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明通过使用在绝缘体上硅薄膜衬底上的硅波导板上制成的绝热模式耦合器来说明设计过程，绝热模式耦合器的示意图如图1和2所示，它涉及两个波导，波导A和波导B彼此紧靠放置，绝热模式耦合器的横截面如图1所示，其中，Si波导的高h＝0.3μm。两个Si波导的宽度分别标记为w₁和w₂，波导之间的间隙宽度标记为g，光学波长为1.55μm。

如图1(b)所示，两个波导的宽度w₁和w₂沿传播方向x逐渐变化，在耦合器的一端(输入平面x＝x_I＝0)，第一个宽度为w₁的波导较窄，第二个宽度为w₂的波导较宽。在另一端(输出平面x＝x_I＝L)，第一个波导由窄变宽，第二个波导由宽变窄。在中心x＝x_C＝L/2处，两个波导的宽度变得相等，此位置称为相位匹配平面。

本发明的目的是设计绝热模式耦合器，使需要的模式能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将其模态功率从一个波导耦合到另一个波导，同时需要将其他不必要的耦合(高阶模式或辐射模式)降到最低。

1、绝热模式耦合器设计的基本原理

2009年，Yariv等人提出了设计绝热耦合器的一种通用标准，表达式如下：

其中，κ是耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度，ε是损耗百分比，γ＝δ/κ，其中δ是独立非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数。

2、本发明中实现绝热模式耦合器的设计方式

步骤1：绝热模式耦合器的分段

耦合器分为两部分(C和D部分)，由于结构的对称性，只需要考虑C部分，如图1(b)所示。将C部分分为15个不同的片段进行仿真，如表1所示。

表1绝热模式耦合器的分段

对于耦合波导系统，如图1所示，偶数本征模e_e和奇数本征模式e_o的传播常数分别为和/>

如图2所示的非耦合波导系统，偶数本征模e_e和奇数本征模式e_o的传播常数分别为和/>所以非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数表达式为

因此，耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度为并且γ定义为γ＝δ/κ。

通过使用FDTD模拟仿真，可以得到各个片段的以上参数。

步骤2：确定每个片段的长度

对于每个片段，通过使用方程(1)来确定每一段的长度，本发明中在方程(1)中取等号，即

如图3所示，由方程(2)可以得到

其中，

通过步骤1中的FDTD仿真模拟参数，由方程(3)就可以得到各个片段的长度，如表2所示。

表2绝热模式耦合器的设计参数

步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L来构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状，如图4所示。

步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式耦合器的传输曲线，如图5所示；

步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。

本发明将设计的绝热锥形波导与直线连接输入端和输出端的情况进行比较，如图5所示。从图中可以看出，对于相同的功率传输，本发明设计的绝热锥形波导长度比基于直线情况下的长度要短很多。例如，在功率传输为95％时，本发明所需的总长度为210μm，直线情况为5680μm＝5.68mm，因此，当需要95％功率传输时，直线情况需要的长度是本发明需要的长度的27倍以上。表明了本发明方法设计的绝热耦合器的紧凑性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：绝热模式耦合器的分段：耦合器分为C和D两部分，由于结构的对称性，只考虑C部分，将C部分分为若干个不同的片段进行仿真；

所述步骤1中，对于耦合波导系统，偶数本征模e_e和奇数本征模式e_o的传播常数分别为和/>其中n_e为耦合波导系统中偶数本征模e_e的有效折射率，n_o为耦合波导系统中奇数本征模式e_o的有效折射率；

对于非耦合波导系统，偶数本征模e_e和奇数本征模式e_o的传播常数分别为和非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数表达式为/>其中n₁为非耦合波导系统中偶数本征模e_e有效折射率，n₂为非耦合波导系统中奇数本征模式e_o的有效折射率；

耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度为并且γ定义为γ＝δ/κ；通过使用FDTD模拟仿真，可以得到各个片段的以上参数；

步骤2：确定每个片段的长度；

所述步骤2中，设计绝热耦合器的表达式如下：

其中，κ是耦合器中波导A与波导B之间的耦合强度，ε是损耗百分比，γ＝δ/κ，其中δ是独立非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数；x表示传播方向上的位置，κ(x)是对应位置x处的κ值，γ(x)是对应位置x处的γ值；

对于每个片段，通过使用方程(1)确定每一段的长度，在方程(1)中取等号，即

由方程(2)可以得到

其中，

通过步骤1中的FDTD仿真模拟参数，由方程(3)得到各个片段的长度；i表示第i个片段；

步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状；

步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式耦合器的传输曲线；

步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度；

所述超紧凑绝热模式耦合器是在绝缘体上硅薄膜衬底上的硅波导板上制成的绝热模式耦合器，绝热模式耦合器的两个波导A和波导B紧靠放置，Si波导的高h＝0.3μm，两个Si波导的宽度分别标记为w₁和w₂，波导之间的间隙宽度标记为g，光学波长为1.55μm；

所述波导A的宽度w₁和波导B的宽度w₂沿传播方向x逐渐变化，从耦合器的一端到另一端，波导A的宽度由窄变宽，波导B的宽度由宽变窄，在中心x＝L/2处，两个波导的宽度相等，该位置处称为相位匹配平面。