CN109491013B - 一种模斑转换器结构及参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模斑转换器结构及参数优化方法，其中，模斑转换器结构包括：本发明实施例提供的模斑转换器结构，包括奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至第一光波导和第二光波导。与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由波导芯层到包层结构的泄露，降低光损耗，可以在短的长度内实现高效率耦合，能够有效缩小模斑转换器体积，提高芯片集成度降低成本，由于本发明提供的模斑转换器结构与波导均在顶层硅上通过一步光刻工艺加工，与传统单根线性锥形模斑转换器相比不增加工艺难度。

Description

一种模斑转换器结构及参数优化方法
技术领域
本发明涉及硅基光电集成芯片制造技术领域，具体涉及一种模斑转换器结构及参数优化方法。
背景技术
模斑转换器是指连接两段不同尺寸光波导起到模场转换作用的光学器件。传统模斑转换器由单根宽度线性变化的锥形波导构成，连接两段不同宽度的波导实现模场转换。为达到高的耦合效率(大于90％)模斑转换器长度需要非常长，例如连接光栅耦合器(宽度10微米)与单模波导(宽度0.5微米)的锥形模斑转换器需要100微米以上，连接硅光探测器(宽度4微米)与单模波导(宽度0.5微米)的线性锥形模斑转换器需要10微米以上，对芯片的集成不利。
发明内容
因此，本发明提供一种模斑转换器结构及设计方法，克服了现有技术中的模斑转换器实现较高耦合效率的功能时长度较长导致集成度低的不足。
本发明实施例提供一种模斑转换器结构，用于连接第一光波导和第二光波导进行模斑转换，所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸大于所述第二光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸，所述模斑转换器包括：奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至所述第一光波导和所述第二光波导。
在一实施中，所述锥形变形结构的轮廓为预设轮廓曲线。
在一实施中，所述预设轮廓曲线包括：幂函数曲线及指数函数曲线。
在一实施中，所述锥形变形结构只包括中心的锥形变形结构。
本发明实施例提供一种模斑转换器的参数优化方法，用于优化上述的模斑转换器结构的参数，包括如下步骤：
对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率；
在所述第一锥形变形结构参数优化的基础上，在所述第一锥形变形结构的两侧对称设置第二锥形变形结构和第三锥形变形结构，对所述第二锥形变形结构和第三锥形变形结构进行参数优化，达到第二预设耦合效率；
在所述第一锥形变形结构的两侧重复对称设置锥形变形结构，直至所述模斑转换器的耦合效率达到第三预设耦合效率时或所述锥形变形结构的数量超出预设数量时，完成模斑转换器的参数优化设计；所述预设数量为所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面可设置的最大的锥形变形结构的数量。
在一实施例中，所述对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率的步骤，包括：
将所述第一锥形变形结构两端的宽度及预设轮廓曲线作为第一结构参数；
采用预设优化算法优化所述第一结构参数，使模斑转换器达到第一预设耦合效率。
在一实施例中，对在所述第一锥形变形结构的两侧对称设置锥形变形结构的参数进行优化的步骤，包括：
将各对称设置的锥形变形结构两端的宽度、与第一锥形变形结构的间距以及预设轮廓曲线作为第二结构参数；
采用预设优化算法优化所述第二结构参数，得到第二预设耦合效率的第二结构参数，作为所述各对称设置的锥形变形结构的结构参数。
在一实施例中，所述预设优化算法包括：粒子群算法和/或遗传算法。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的模斑转换器结构，用于连接第一光波导和第二光波导进行模斑转换，所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸大于所述第二光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸，包括奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至所述第一光波导和所述第二光波导。与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由芯层到包层结构的泄露，降低光损耗，可以在短的长度内实现高效率耦合，能够有效缩小模斑转换器体积，提高芯片集成度降低成本，；同时由于本发明提供的模斑转换器结构与波导均在顶层硅上通过一步光刻工艺加工，与传统单根线性锥形模斑转换器相比不增加工艺难度。
2、本发明实施例提供的模斑转换器参数优化方法，通对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率；在第一锥形变形结构进行参数优化的基础上，在第一锥形变形结构的两侧对称设置第二锥形变形结构和第三锥形变形结构，对第二锥形变形结构和第三锥形变形结构进行参数优化，达到第二预设耦合效率；在第一锥形变形结构的两侧重复对称设置锥形变形结构，直至模斑转换器的耦合效率达到第三预设耦合效率时或所述锥形变形结构的数量超出预设数量时，完成模斑转换器的参数优化设计；所述预设数量为所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面可设置的最大的锥形变形结构的数量。与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由芯层到包层结构的泄露，降低光损耗，可以使模斑转换器在短的长度内实现高效率耦合，能够有效缩小模斑转换器体积，提高芯片集成度降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的模斑转换器结构的一个具体示例的组成图；
图2为本发明实施例提供的模斑转换器结构的另一个具体示例的组成图；
图3为本发明实施例提供的模斑转换器的参数优化方法的一个具体示例的流程图；
图4为本发明实施例提供的模斑转换器中各锥形变形结构对应参数的一个具体示例的示意图；
图5a为传统线性锥形模斑转换器的场强分布；
图5b为本发明实施例提供的模斑转换器的参数优化方法得到模斑转换器的场强分布。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种模斑转换器结构，用于连接第一光波导和第二光波导进行模斑转换，所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸大于所述第二光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸，所述模斑转换器包括：奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至所述第一光波导和所述第二光波导。
在本发明实施例中，如图1所示，包括：第一、第二、第三、…第2N、第2N+1锥形变形结构。当所述N为大于0的整数时，第2N、第2N+1锥形变形结构以位于中心的第一锥形变形结构为中心对称分布。
在一实施例中，由于光的传播特性，只需要被进行模斑转换的不同尺寸的光波导分别与第一锥形变形结构连接，如图1所示的wide端连接宽波导的第一光波导，在narrow端连接窄波导的第二光波导。
在本发明实施例中，锥形变形结构的轮廓为预设轮廓曲线，预设轮廓曲线包括：幂函数曲线及指数函数曲线，取代了传统模斑转换器采用线性锥形结构，可以在减小模斑转换器长度同时达到预设的耦合效率。仅以此举例，不以此为限，在其他实施例中可以为其他轮廓曲线，与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由芯层到包层结构的泄露，降低光损耗。
本发明实施例中，如图2所示，当模斑转换器只设置一个中心的锥形变形结构，能满足实际需求需要的耦合效率时，不再需要对称设置其他锥形变形结构。当不能满足实际需求需要的耦合效率时，需逐渐在第一个锥形变形结构的两侧对称设置锥形变形结构，直至能满足实际需求需要的耦合效率。
模斑转换器耦合效率越高、长度越短越好，但是传统的模斑转换器效率越高，其长度就会越长，两者会互相矛盾，本发明实施例提供的模斑转换器结构，能够缓解这种矛盾，在相同长度下能得到更高的耦合效率，或者在相同耦合效率的条件下所需长度更短。以连接宽度4微米SOI硅波导与宽度0.5微米SOI硅波导模斑转换器为例，为达到90％以上耦合效率，线性锥形模斑转换器长度需要10微米以上，该发明所公开的模斑转换器结构长度只需要2微米。
模斑转换器中各个锥形变形结构位于同一衬底上的同一层，并且材料相同，在实际制作模斑转换器结构过程中，模斑转换器结构与波导与传统的模斑转换器加工工艺相同，均在顶层硅上通过一步光刻工艺加工，不会额外增加工艺难度。
本发明实施例提供的模斑转换器结构，包括奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至第一光波导和第二光波导。与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由芯层到包层结构的泄露，降低光损耗，可以在短的长度内实现高效率耦合，能够有效缩小模斑转换器体积，提高芯片集成度降低成本，由于本发明提供的模斑转换器结构与波导均在顶层硅上通过一步光刻工艺加工，与传统单根线性锥形模斑转换器相比不增加工艺难度。
实施例2
本发明实施例提供一种模斑转换器的参数优化方法，用于优化实施例1中所述的模斑转换器结构的参数，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S1:对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率。
在本实施例中，将第一锥形变形结构两端的宽度(如图4中所示的WL1、WR1)及预设轮廓曲线作为第一结构参数，同时采用预设优化算法优化所述第一结构参数，使模斑转换器达到最大耦合效率，仅以此举例，不以此为限，在其他实施例中，可以不是最大的耦合效率，而是根据实际需求设置预设数值的耦合效率。
在一具体实施例中，预设的优化算法可以为粒子群算法、遗传算法或者两者的结合优化算法，对第一结构参数进行优化使模斑转换器达到最大耦合效率。
步骤S2:在第一锥形变形结构进行参数优化的基础上，在第一锥形变形结构的两侧对称设置第二锥形变形结构和第三锥形变形结构，对第二锥形变形结构和第三锥形变形结构进行参数优化，达到第二预设耦合效率。
在一具体实施例中，将第二、第三锥形变形结构两端的宽度(如图4中所示的WL2、WR2)、与第一锥形变形结构的间距(如图4中所示的SL1、SR1)以及预设轮廓曲线作为第二结构参数；采用预设优化算法，例如是粒子群算法或遗传算法优化第二结构参数，得到耦合效率最大时的第二结构参数作为第二、第三锥形变形结构的结构参数，仅以此举例，不以此为限，在其他实施例中，可以不是最大的耦合效率，而是根据实际需求设置预设数值的耦合效率。
步骤S3:在第一锥形变形结构的两侧重复对称设置锥形变形结构，直至模斑转换器的耦合效率达到第三预设耦合效率时或锥形变形结构的数量超出预设数量时，完成模斑转换器的参数优化设计。
本发明实施例中，预设数量为第一光波导与模斑转换器耦合的一面可设置的最大的锥形变形结构的数量。
在具体实施例中，当对第一锥形变形结构两侧对称设置的第二、第三锥形变形结构进行参数优化后的得到的最大耦合效率，仍然没达到预设的耦合效率时，将参照第二、第三锥形变形结构的参数优化过程，重复对称设置其他对锥形变形结构，直至模斑转换器的耦合效率达到预设耦合效率或锥形变形结构的数量超出预设数量时，最终完成模斑转换器的锥形变形结构的数量和参数优化设计。其中，预设数量为第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面(如图4中所示的W1)可设置的最大的锥形变形结构的数量。
在另一实施例中，对第一锥形变形结构采用粒子群算法、遗传算法或者两者的结合优化算法对第一结构参数进行优化，实现的耦合效率达到预设的耦合效率时，则不再需要增加其对称设置的其他锥形变形结构。
在一具体的实施例中，对于长度为2微米的模斑转换器，经过本发明提供的模斑转换器的参数优化方法经过一次迭代优化后，得到包含三个锥形变形结构的模斑转换器其耦合效率达到90％，图5b为场强分布；而相同长度(2微米)传统线性锥形模斑转换器效率仅为33％，图5a为场强分布；从图5a和图5b对比，可以看出经过本发明提供的模斑转换器的参数优化方法得到的模斑转换器的在相同长度条件下光泄露显著降低，耦合效率显著提高。
本发明实施例提供的模斑转换器参数优化方法，通过将第一锥形变形结构进行优化的达到最大优化耦合效率的基础上，重复设置多对对称设置的锥形变形结构对其结构参数进行优化，直至模斑转换器的耦合效率达到预设耦合效率或锥形变形结构的数量超出预设数量时，最终完成模斑转换器的锥形变形结构的优化设计。与传统单根线性锥形波导模斑转换器相比可以减小光由芯层到包层结构的泄露，降低光损耗，可以模斑转换器在短的长度内实现高效率耦合，能够有效缩小模斑转换器体积，提高芯片集成度降低成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种模斑转换器结构，用于连接第一光波导和第二光波导进行模斑转换，所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸大于所述第二光波导与所述模斑转换器耦合的一面的尺寸，其特征在于，应用于模斑大小随波导尺寸减小而减小的工作区间，该工作区间内模斑转器内的光能主要通过中间主锥型变形结构的导波模式传输，所述模斑转换器包括：
奇数个锥形变形结构，沿中心的锥形变形结构对称分布，所述中心的锥形变形结构的两端用于耦合至所述第一光波导和所述第二光波导，其中第一光波导的截面尺寸的大于位于中心的锥形变形结构的宽端截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的模斑转换器结构，其特征在于，所述锥形变形结构的轮廓为预设轮廓曲线。
3.根据权利要求2所述的模斑转换器结构，其特征在于，所述预设轮廓曲线包括：幂函数曲线及指数函数曲线。
4.根据权利要求1-3任一所述的模斑转换器结构，其特征在于，所述锥形变形结构只包括中心的锥形变形结构。
5.一种模斑转换器的参数优化方法，用于优化如权利要求1-4任一所述的模斑转换器结构的参数，其特征在于，包括如下步骤：
对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率；
在所述第一锥形变形结构参数优化的基础上，在所述第一锥形变形结构的两侧对称设置第二锥形变形结构和第三锥形变形结构，对所述第二锥形变形结构和第三锥形变形结构进行参数优化，达到第二预设耦合效率；
在所述第一锥形变形结构的两侧重复对称设置锥形变形结构，直至所述模斑转换器的耦合效率达到第三预设耦合效率时或所述锥形变形结构的数量超出预设数量时，完成模斑转换器的参数优化设计；所述预设数量为所述第一光波导与所述模斑转换器耦合的一面可设置的最大的锥形变形结构的数量。
6.根据权利要求5所述的模斑转换器的参数优化方法，其特征在于，所述对位于模斑转换器中心的第一锥形变形结构进行参数优化，使模斑转换器达到第一预设耦合效率的步骤，包括：
将所述第一锥形变形结构两端的宽度及预设轮廓曲线作为第一结构参数；
采用预设优化算法优化所述第一结构参数，使模斑转换器达到第一预设耦合效率。
7.根据权利要求6所述的模斑转换器的参数优化方法，其特征在于，对在所述第一锥形变形结构的两侧对称设置锥形变形结构的参数进行优化的步骤，包括：
将各对称设置的锥形变形结构两端的宽度、与第一锥形变形结构的间距以及预设轮廓曲线作为第二结构参数；
采用预设优化算法优化所述第二结构参数，得到第二预设耦合效率的第二结构参数，作为所述各对称设置的锥形变形结构的结构参数。
8.根据权利要求5-7任一所述的模斑转换器的参数优化方法，其特征在于，所述预设优化算法包括：粒子群算法和/或遗传算法。
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