CN114114537B - 一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法，对绝热锥形波导沿光束模式传播方向进行分段，得到每个片段的初始波导宽度和最终波导宽度；对于每个片段，通过数值化方法设计得到各片段的长度；根据各片段的初始波导宽度和最终波导宽度以及各片段的长度来构造各片段，然后将各片段拼接在一起形成完整的波导形状；扫描完整波导的总长度，获得完整绝热锥形波导的传输曲线；根据应用需求选择要使用的器件长度。本方法通过对绝热锥形波导进行分段，使用数值化设计方法来确定每一段的长度，以数值化的方式实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热锥形波导。

Description

一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法

技术领域

本发明涉及一种绝热锥形波导的设计方法。

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。绝热锥形波导为这些器件提供连接，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。

在设计绝热锥形波导时，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，提出一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法，实现一种超短、宽频带的绝热锥形波导设计。

技术方案：一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法，包括：

步骤1：对绝热锥形波导沿光束模式传播方向进行分段，得到每个片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n；

步骤2：对于每个片段，根据下式得到片段的长度L_i；

其中，λ₀表示波长，W₀表示片段长度中点处的波导宽度，

n_eff表示片段长度中点处的有效折射率，α为常数；

步骤3：根据各片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n以及步骤2得到的各片段的长度L_i来构造各片段，然后将各片段拼接在一起形成完整的波导形状；

步骤4：扫描完整波导的总长度，获得完整绝热锥形波导的传输曲线；

步骤5：根据应用需求选择要使用的器件长度。

进一步的，常数α为的取值范围为α≤2。

有益效果：本方法通过对绝热锥形波导进行分段，使用数值化设计方法来确定每一段的长度，以数值化的方式实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热锥形波导。此外，通过数值化的方式，本发明将绝热条件α从1扩展到2。通过本方法设计得到的超紧凑绝热锥形波导能够作为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

图1为本发明方法流程图；

图2为常规绝热锥形波导的横截面；

图3为常规绝热锥形波导的俯视图；

图4为作为本实施例设计对象的绝热锥形波导示意图；

图5为片段Sect-i示意图；

图6为本发明方法设计出的波导形状示意图；

图7为理想抛物线形状示意图；

图8为本发明方法与现有方法设计结果对比图；

图9为本方法中不同的α值对结果的影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法，包括：

步骤1：对绝热锥形波导沿光束模式传播方向进行分段，得到每个片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n；

步骤2：对于每个片段，根据下式得到片段的长度L_i；

其中，λ₀表示波长，W₀表示片段长度中点处的波导宽度，

n_eff表示片段长度中点处的有效折射率，α为常数；

步骤3：根据各片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n以及步骤2得到的各片段的长度L_i来构造各片段，然后将各片段拼接在一起形成完整的波导形状；

步骤4：扫描完整波导的总长度，获得完整绝热锥形波导的传输曲线；

步骤5：根据应用需求选择要使用的器件长度。

本实施例通过在硅薄膜衬底上的硅波导板上制成的绝热锥形波导来说明设计过程。

图2和3分别为绝热锥形波导的结构的横截面和俯视图，其中输入端的硅波导宽度为W₁＝2.00μm，输出端的硅波导宽度为W₂＝0.50μm。波导的宽度W沿传播方向缓慢变化，以保持绝热模式演化的无损耗传输。

根据1977年Milton和Burns提出的绝热操作的设计规则，最低阶模式被侧壁限制，表达式如下：

其中，θ是图2中x₀处局部半角度，W是x₀处的宽度，λ₀是波长，n_eff是x₀处的有效折射率，α是的常数，Milton和Burns认为α≤1。

本实施例中，波导具有以下参数：硅波导板的厚度h＝220nm，初始宽度为W₁＝2.0μm，最终宽度为W₂＝0.5μm，如图4所示。

步骤1中，首先，对要使用的片段数和宽度划分进行初始选择，进行模拟试验以扫描每个片段的长度，根据初次划分的片段进行分别扫描以获取其传输曲线；其次，根据传输曲线调整每个片段的宽度划分和片段划分的数目；然后，使用新调整的宽度划分方案再次进行扫描。通常，进行几次迭代就足以形成合理的宽度划分方案。本实施例将绝热锥形波导分成6个片段：Sect-1：W₁＝2μm至W₂＝1.75μm；Sect-2：W₁＝1.75μm至W₂＝1.5μm；Sect-3：W₁＝1.5μm至W₂＝1.25μm；Sect-4：W₁＝1.25μm至W₂＝1.05μm；Sect-5：W₁＝1.05μm至W₂＝0.9μm；Sect-6：W₁＝0.9μm至W₂＝0.5μm。

步骤2中，以图5所示的Sect-i片段为例，波导宽度从W_m变化到W_n，可得到：

将式(2)代入式(1)中，可得到：

由方程(3)获得各个片段的长度，本实施例选择α＝0.5，得到各个片段的长度如表1所示。

表1

方法	L<sub>1</sub>/μm	L<sub>2</sub>/μm	L<sub>3</sub>/μm	L<sub>4</sub>/μm	L<sub>5</sub>/μm	L<sub>6</sub>/μm	总长度L/μm
								α＝0.50	1.690	1.459	1.226	0.811	0.509	0.903	6.598
α＝1.50	0.555	0.477	0.397	0.259	0.160	0.261	2.109
								α＝2.00	0.411	0.351	0.290	0.187	0.113	0.168	1.521
α＝2.50	0.323	0.274	0.224	0.142	0.084	0.104	1.152
								α＝2.60	0.309	0.262	0.214	0.135	0.079	0.094	1.093
α＝2.75	0.291	0.246	0.200	0.125	0.072	0.078	1.012
								α＝3.00	0.264	0.222	0.179	0.110	0.062	0.054	0.891

步骤3中，将表1所示的各片段拼接在一起形成完整的波导形状，如图6所示，图7为理想的抛物线形状。

步骤4中，扫描器件的总长度，以获得完整绝热锥形波导的传输曲线，如图8所示。

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8所示。同时，把抛物线形状的锥形波导的传输曲线画在图8中。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。从顶端振荡曲线的振幅可以看出，本发明的振荡曲线振幅要小于抛物线形状，所以本发明中的设计方法要好于抛物线。在功率传输为98％时，本发明所需的总长度为2.498μm，抛物线形状需要的总长度为2.765μm，直线情况需要的总长度为5.048μm。因此，当需要98％功率传输时，直线情况需要的长度是本发明需要的长度的2倍以上，表明本发明的设计的绝热锥形波导的长度可以达到很短。

尽管Milton和Burns认为α≤1，本发明尝试了不同的α值对本发明方法的影响，各个片段的长度和仿真结果如表1和图9所示。从图上可以看出，当α＝2时，结果还是很好。但是随着α的增大，传输曲线顶端的振荡曲线振幅越来越大，传输效果变差，所以本发明认为α可以大于1，达到α＝2。

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 (1)

1.一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法，其特征在于，包括：

步骤1：对绝热锥形波导沿光束模式传播方向进行分段，得到每个片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n；

步骤2：对于每个片段，根据下式得到片段的长度L_i；

其中，λ₀表示波长，W₀表示片段长度中点处的波导宽度，

n_eff表示片段长度中点处的有效折射率，α为常数；常数α为的取值范围为1＜α≤2；

步骤3：根据各片段的初始波导宽度W_m和最终波导宽度W_n以及步骤2得到的各片段的长度L_i来构造各片段，然后将各片段拼接在一起形成完整的波导形状；

步骤4：扫描完整波导的总长度，获得完整绝热锥形波导的传输曲线；

步骤5：根据应用需求选择要使用的器件长度。

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