一种绝热模式耦合器的数值设计方法

1.本发明涉及一种绝热模式耦合器的数值设计方法。


背景技术：

2.基于soi结构的硅波导因其与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide 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。
3.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。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述现有技术，提出一种绝热模式耦合器的数值设计方法，实现超紧凑的绝热模式耦合器的设计。
5.技术方案：一种绝热模式耦合器的数值设计方法，包括：
6.步骤1：由于绝热模式耦合器结构的对称性，以半耦合器为目标，对半耦合器沿光束模式传播方向进行非均匀分段；
7.步骤2：对每个片段进行单独扫描得到模式输入和模式输出的传输曲线；
8.步骤3：对于每个片段，用直线将输入端连接到输出端，各片段的损耗约束值loss满足：loss《1－tm，其中tm表示传输曲线顶端振荡曲线最低点对应的传输效率；各片段选择相同的损耗约束值loss，得到各片段对应的传播长度li；
9.步骤4：使用步骤3得到的传播长度li来构造各片段，然后将所有片段拼接在一起，并根据绝热模式耦合器结构的对称性形成完整的波导形状；
10.步骤5：扫描总长度，获得完整绝热模式耦合器的传输曲线；
11.步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
12.进一步的，所述步骤1中，所述非均匀分段的具体方式为：绝热模式耦合器沿模式传播方向的中心点处的波导宽度定义为wc，初始波导定义为w0，根据绝热模式耦合器的有效折射率曲线得到：当光波从w0传播到wm时，模式的变化平缓，将该区域定义为平缓区域；当光波从wm传播到wn时，模式变换敏感，但还未发生模式交换，将该区域定于为敏感区域；当光波从wn传播到wc时，开始发生偶数本征模式和奇数本征模式的交换，将该区域成为模式交换区域；其中，w0《wm《wn《wc；
13.(1)在所述平缓区域，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：10nm《δw《50nm；
14.(2)在所述敏感区域，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：1nm《δw《5nm；
15.(3)在所述模式交换区域，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：0.1nm《δw《0.8nm。
16.有益效果：本发明方法对绝热模式耦合器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，在模式变化较为敏感区域做细致分段，而对于距离细微结构较远的区域，由于模式的变化较为平缓，无需采用过度细密的分段，这样既达到了细致描述局部细微结构的目的，又使计算量保持在适当的范围内，不仅节省了计算内存，也加快了仿真设计的速度。并对每一段都选择一个相同的损耗约束值，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。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。
附图说明
17.图1为绝热模式耦合器的横截面结构示意图；
18.图2为绝热模式耦合器的俯视结构示意图；
19.图3为热模式耦合器的局部模式ee和eo的模式轮廓图，其中(a)为输入平面处，(b)为相位匹配平面处，(c)为输出平面处；
20.图4为绝热模式耦合器的k矢量频率色散图；
21.图5为本实施例中片段sect-1对应的传输曲线；
22.图6为本实施例设计得到的波导形状；
23.图7为本实施例设计得到的波导的传输曲线与传统方法的对比图；
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
25.本发明通过使用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，硅波导的高h＝0.3μm。两个硅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。
26.如图2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，即输入平面x＝xi＝0处，一个硅波导的波导较窄，另一个硅波导的波导较宽。在另一端，即输出平面x＝xo＝l处，一个波导由窄变宽，另一个波导由宽变窄。在中心x＝xc＝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。
27.图3分别显示了在输入平面、相位匹配平面、输出平面上的本征模ee和eo的模式轮廓。从图上可以看到，在输入平面上，偶数本征模ee在宽波导中具有大部分的能量，奇数本征模式eo在窄波导中具有大部分的能量。在输出平面上，偶数本征模ee在宽波导中具有大部分的能量，奇数本征模式eo在窄波导中具有大部分的能量。
28.本发明方法所设计的绝热模式耦合器，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，如高阶模式或辐射模式降到最低。
29.本方法包括如下步骤：
30.步骤1：绝热模式耦合器的分段
31.如图2所示，由于结构的对称性，耦合器分为c和d两部分，只需要考虑c部分的半耦合器。两个波导之间的间隙g是恒定的，并且有w1+w2+g＝w
t
，其中w
t
是绝热模式耦合器的总宽度，也是恒定的。绝热模式耦合器的k矢量频率色散图如图4所示，该图给出了ee和eo模式的有效传播折射率随波导宽度的变化。在图4的频率色散图中也标记了四个端口port。从图上可以看到，当两个波导宽度相等时，由于共振耦合，在中点处会打开一个间隙。因此，该图被分成两条曲线，一条在顶部，另一条在底部。
32.对绝热模式耦合器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，绝热模式耦合器沿模式传播方向的中心点处的波导宽度定义为wc，初始波导定义为w0，根据绝热模式耦合器的有效折射率曲线得到：当光波从w0传播到wm时，模式的变化平缓，将该区域定义为平缓区域；当光波从wm传播到wn时，模式变换敏感，但还未发生模式交换，将该区域定于为敏感区域；当光波从wn传播到wc时，开始发生偶数本征模式和奇数本征模式的交换，将该区域成为模式交换区域；其中，w0《wm《wn《wc。本实施例中，w0＝0.5μm，wm＝0.69μm，wn＝0.698μm，wc＝0.700μm。
33.(1)w1＝0.5μm至w1＝0.69μm，这一区域模式的变化很平缓，采用较粗的分段即可，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：10nm《δw《50nm。
34.(2)w1＝0.69μm至w1＝0.698μm，这一区域模式的变化较为敏感，采用较细的分段，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：1nm《δw《5nm。
35.(3)w1＝0.698μm至w1＝0.700μm，这一区域模式的变化很敏感，需采用很细的分段，各片段的输入端和输出端宽度差δw满足：0.1nm《δw《0.8nm。
36.各个区域具体的分段如表1所示。
37.表1
[0038][0039]
本方法采用的分段方式中，在模式变化较为敏感区域，需要做细致分段，而对于距离细微结构较远的区域，由于模式的变化较为平缓，无需采用过度细密的分段。这样既达到了细致描述局部细微结构的目的，又使计算量保持在适当的范围内，不仅节省了计算内存，也加快了仿真设计的速度。
[0040]
步骤2：对每个片段，用直线将输入端连接到输出端，对每一段进行单独扫描，得到模式输入和模式输出的传输曲线。如图5所示为本实施例中片段sect-1对应的传输曲线。
[0041]
步骤3：确定损耗约束值
[0042]
对于每个片段，用直线将输入端连接到输出端。为不失一般性，以sect-1为例，初始波导宽度w1与最终波导宽度w2通过长度为li的直线相连接。
[0043]
为了使设计出的器件具有很宽的工作带宽和高的制造偏差容忍度，损耗约束值的选择需要满足一定的条件。
[0044]
损耗约束值loss需要在顶端传输曲线振荡区域内，传输曲线的顶端振荡曲线最低点对应的传输效率为tm，损耗约束值应满足：
[0045]
loss《1－tmꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0046]
如图5所示，选择损耗约束值loss＝0.0001，满足上述方程。然后，对于这15个片段中的每个片段均采用相同的损耗约束值loss，即都需要找出所选loss＝0.0001值对应的传
播长度li，各片段的传播长度li如表2所示。
[0047]
表2
[0048][0049]
步骤4：使用步骤3中得到的传播长度li来构造各片段，然后将所有片段拼接在一起，并根据绝热模式耦合器结构的对称性形成完整的波导形状，如图6所示。
[0050]
步骤5：扫描总长度，以获得完整绝热模式耦合器的传输曲线，如图7所示。
[0051]
步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
[0052]
将本实施例设计的绝热模式耦合器与直线连接输入端和输出端的情况进行比较，如图7所示，从图中可以看出，对于相同的功率传输，本发明设计的绝热模式耦合器长度比基于直线情况下的长度要短很多。在例如，在功率传输为95％时，本发明所需的总长度为210.1μm，直线情况为5670μm＝5.67mm。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。在功率传输为99％时，本发明算法所需的总长度为263μm，直线情况下所需的总长度为25040μm。因此，在功率传递为99％的情况下，直线情况的长度是本发明所需长度的96倍以上，表明本发明设计的绝热模式耦合器的长度可以达到很短，实现了器件的小型化。
[0053]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。