CN114047628A - 一种绝热极化旋转器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝热极化旋转器的设计方法，对绝热极化旋转器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，在模式发生转换的模式混合区域，各片段的输入端和输出端宽度差小于其他区域的片段；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，各片段采用相同的损耗约束值，损耗约束值应略低于振荡区域，且损耗约束值的选择不能太靠近长度为零的点；根据确定的损耗约束值得到各片段的长度Li；拼接各片段构成完整的波导形状。

Description

一种绝热极化旋转器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种绝热极化旋转器的设计方法。
背景技术
光子集成电路是一种在单个基板(芯片)上组合各种光学器件和组件的技术，可用于生成、聚焦、分离、组合、隔离、偏振、耦合、切换、调制和检测光。绝热器件(adiabaticdevices)提供这些组件之间的连接。“绝热(adiabatic)”模式演化意味着光束模式沿传播方向缓慢变化，当变化足够缓慢时，其他模式几乎不会激发，模式演化(modeevolution)几乎是无损耗的。绝热器件的设计是光子集成电路中一个重要的研究方向，设计的目标是器件的小型化。绝热极化旋转器可以将TE1模式转换成TM0模式，反之亦然。
在设计绝热极化旋转器时，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。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种绝热极化旋转器的设计方法，设计得到的器件长度相较于现有技术更为紧凑。
技术方案：一种绝热极化旋转器的设计方法，包括：对绝热极化旋转器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，在模式发生转换的模式混合区域，各片段的输入端和输出端宽度差小于其他区域的片段；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，各片段采用相同的损耗约束值Loss，所述损耗约束值Loss同时满足：1)损耗约束值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，2)损耗约束值Loss<0.4×(1－T0)，其中T0表示传输曲线的初始值；根据确定的损耗约束值得到各片段的长度Li；拼接各片段构成完整的波导形状。
进一步的，在模式混合区域进行分段时，各片段的输入端和输出端宽度差ΔW满足：ΔW<10nm。
有益效果：本发明方法通过对绝热极化旋转器进行合适的分段，并对每一段都选择一个相同的损耗约束值，实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热极化旋转器。
具体的：
1、通过对绝热极化旋转器进行划分，在模式混合区域需要进行精细的分段，远离模式混合区域无需进行精细的分段，从而节省计算时间，提高设计效率。
2、损耗约束值的选择不能太靠近L＝0的点，也不能太靠近曲线的振荡区域，从而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。
3、本发明设计得到的紧凑绝热极化旋转器构成了极化分集系统的关键组件，可应用于混合结构中的极化不相干集成光子电路中。
附图说明
图1为本发明初始条件下的绝热极化旋转器结构；
图2为绝热极化旋转器的k矢量频率色散图；
图3为实施例中Sect-3的传输曲线；
图4为本实施例得到的完整器件几何形状图；
图5为实施例得到的完整器件的传输曲线与直线连接情况下的透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
通过使用在硅薄膜衬底上的硅波导板上制成绝热极化旋转器来说明本设计方法，如图1所示，其中(a)为器件输入端的截面图，(c)为器件输出端的截面图，(b)为器件的主视图，设计初始条件为：输入端的Si波导宽度为W1＝1.18μm，输出端的Si波导宽度为W2＝1.7μm，波导的宽度W沿光束模式传播方向缓慢变化，以保持绝热模式演化的无损耗传输。
设计方法包括如下步骤：
步骤1：绝热极化旋转器的分段
根据初始条件，通过使用FDTD对绝热极化旋转器进行模拟仿真，得到该结构的k矢量频率色散图，如图2所示。该图给出了TM0和TE1模式的有效传播折射率随波导宽度W的变化。如图2所示圆圈标记的区域，其中TM0和TE1模式的色散曲线由于模式混合而具有反交叉，交叉点所在的波导宽度定义为Wc。在该模式混合区域，无法区分TM0和TE1模式。当光波从WL缓慢传播到WR时，且满足WL<Wc<WR时，将发生TM0和TE1模式之间的模式转换，则该区域成为模式混合区域。
对绝热极化旋转器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，在模式发生转换的模式混合区域，各片段的输入端和输出端宽度差小于其他区域的片段。这样分段是由于，在局部细微结构附近，即在模式混合区域，由于模式的变化较为敏感，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。本实施例中，在模式混合区域，各片段的输入端和输出端宽度差ΔW满足：ΔW<10nm。
根据以上规则，将绝热极化旋转器分成25个片段，如表1所示。模式混合区域为：Sect-7到Sect-19，需要进行精细的分段。远离模式混合区域为两端：Sect-1到Sect-6和Sect-20到Sect-25，无需进行精细的分段。
表1
Figure BDA0003367752970000031
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3所示为本实施例中片段Sect-3对应的传输曲线。
步骤3：确定损耗约束值
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。
损耗约束值Loss应略低于振荡区域，使其值不会太小。假设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：
Loss>1－Tm (1)
此外，对于每个片段，需要检查长度L＝0时，传输曲线的初始值T0，这个初始值T0是长度为零时的光束功率反射，这是因为波导的宽度突然改变，从而改变波导模式的传播折射率。所以损耗约束值还应满足：
Loss<0.4×(1－T0) (2)
这里选择损耗约束值Loss＝0.0012，Sect-3中Tm＝0.9996，T0＝0.992，满足方程(1)和方程(2)。
然后，对于这25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＝0.0012值对应的传播长度Li，各片段的传播长度Li如表2所示。
表2
Figure BDA0003367752970000041
步骤4：拼接各片段构成完整的波导形状。需要说明的是，满足条件的损耗约束值Loss值有多个，只要满足方程(1)和(2)即可。图2展示了损耗约束值Loss＝0.0012对应的一个完整的波导形状。
步骤5：扫描完整的波导的总长度，以获得完整绝热极化旋转器的传输曲线，如图5中直线所示。
步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
通过本发明方法设计的绝热极化旋转器与初始设计条件下直线连接输入端和输出端的旋转器进行比较，从图5中可以看出，对于相同的功率传输，本发明设计的极化旋转器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90％时，本发明所需的总长度为85μm，直线情况需要的总长度为440μm。因此，当需要90％功率传输时，直线情况需要的长度是本发明需要的长度的5倍以上。
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。

Claims (2)

1.一种绝热极化旋转器的设计方法，其特征在于，包括：对绝热极化旋转器沿光束模式传播方向进行非均匀分段，在模式发生转换的模式混合区域，各片段的输入端和输出端宽度差小于其他区域的片段；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，各片段采用相同的损耗约束值Loss，所述损耗约束值Loss同时满足：1)损耗约束值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，2)损耗约束值Loss<0.4×(1－T0)，其中T0表示传输曲线的初始值；根据确定的损耗约束值得到各片段的长度Li；拼接各片段构成完整的波导形状。
2.根据权利要求1所述的绝热极化旋转器的设计方法，其特征在于，在模式混合区域进行分段时，各片段的输入端和输出端宽度差ΔW满足：ΔW<10nm。
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