CN114252955A - 一种绝热模式连接器的高效设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种绝热模式连接器的高效设计方法，属于绝热模式连接器技术领域。其技术方案为：该设计方法包括以下步骤：步骤1：两个脊波导中的最佳波导宽度w的确定；步骤2：设计及分段；步骤3：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，使用EME求解器扫描每个片段的长度，获得的各个片段的长度；步骤4：拼接各个片段形成完整的波导形状；步骤5：扫描完整波导的总长度，以获得完整绝热模式连接器的传输曲线；步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。本发明的有益效果为：本发明提出了一种绝热模式连接器的高效设计方法，设计简单，并且设计出的绝热模式连接器尺寸小、结构简单、带宽大、易加工。

Description

一种绝热模式连接器的高效设计方法
技术领域
本发明涉及绝热模式连接器技术领域，尤其涉及一种绝热模式连接器的高效设计方法。
背景技术
光子集成电路是一种在单个基板，即“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。绝热模式连接器(adiabatic mode connects)提供这些组件之间的连接，就像连接城市和城镇的高速公路。绝热模式连接器的主要功能是连接光子集成电路中的两个独立器件。绝热模式连接器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。
在设计绝热模式连接器时，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。现有关于绝热模式连接器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
本发明的目的在于提供一种绝热模式连接器的高效设计方法，设计得到的器件长度相较于现有技术更为紧凑，其结构简单、尺寸小、带宽大、易加工，这种紧凑的绝热模式连接器构成了光子集成电路的关键组件，可用于实现紧凑的波导阵列、紧弯曲波导、波导反射镜、或多模干涉耦合器。
本发明思想为：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脊波导结构来说明设计过程，目的就是要设计一种高效的绝热模式连接器，用来连接两个不同的脊波导结构，以尽可能短的距离将其中一个脊波导中的能量无损耗的传输到另一个脊波导。
本发明是通过如下措施实现的：一种绝热模式连接器的高效设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：两个脊波导中的最佳波导宽度w的确定
要设计性能最佳的绝热模式连接器，首先是找到两个脊波导的最佳宽度w，先确定其中一个波导的宽度w2，计算该宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，然后找另一个脊波导的最佳宽度w1，实现的基本思路为：依次改变w1的值，得到各个宽度下该脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，找到w1的值；
将弱波导中的宽度设定为w2＝2.85μm，依次改变强波导中的宽度w1，得到相应的宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c；
步骤2：设计及分段
绝热模式连接器的几何形状沿传播方向x轴逐渐变化，设计的锥形部分Taperpart具体包括以下步骤：
步骤(2-1)：将锥形部分划分成3部分进行设计，分别为Sect-1、Sect-2、Sect-3，如表2所示；
步骤(2-2)：锥形部分又分成顶端Si(Top Si)宽度变化部分Δw和中部Si(MediumSi)宽度变化部分ΔW；
步骤3：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，表2展示了基于强波导和弱波导的绝热模式连接器的设计参数，然后使用EME求解器扫描每个片段的长度，获得的各个片段的长度；
步骤4：拼接各片段构成完整的波导形状；
步骤5：扫描完整器件的总长度，以获得完整绝热模式连接器的传输曲线；
步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用绝热模式连接器对两种不同的脊波导进行连接，需要对两种不同的脊波导的宽度进行优化设计，并且需要对绝热模式连接器的锥形部分进行合适的分段设计，实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热模式转换器。
2、在本发明中，先确定其中一个波导的宽度w2，计算该宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，然后找另一个脊波导的最佳宽度w1，实现的基本思路为：依次改变w1的值，得到各个宽度下该脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，找到w1的值。
3、对绝热模式连接器需要进行设计，设计的最重要和最关键的部分是锥形部分Taper part，本发明将锥形部分划分成3部分进行设计，锥形部分又分成顶端(Top)Si宽度变化部分和中部(Medium)Si宽度变化变化部分，详细的分段如表2所示。
4、本发明提出了一种绝热模式连接器的高效设计方法，设计简单，并且设计出绝热模式连接器尺寸小、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，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例中脊波导结构中两个脊波导的基模示意图；其中，(a)为强波导，能量主要集中在顶部Si波导中；(b)为弱波导，能量主要集中在底部Si波导中。
图2为本发明实施例中基于强波导和弱波导的绝热模式连接器模型示意图。
图3为本发明实施例中基于强波导和弱波导的绝热模式连接器的传输曲线的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1至图3，本发明实施例提供其技术方案为，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脊波导结构来说明设计过程，图1展示了两种不同的脊波导结构，脊波导的“芯”为Si，其折射率nSi＝3.455，脊波导的“包层”为SiO2，其折射率nSiO2＝3.455，脊波导的具体参数标注在图1中，其中强波导顶部Si波导的宽度为w1，弱波导顶部Si波导的宽度为w2如图1所示，光束的波长为1.55μm，本发明的目的就是要设计一种高效的绝热模式连接器，用来连接两个不同的脊波导结构，以尽可能短的距离将其中一个脊波导中的能量无损耗的传输到另一个脊波导。
本发明实施例中提供的一种绝热模式连接器的高效设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：两个脊波导中的最佳波导宽度w的确定
要设计性能最佳的绝热模式连接器，首先最重要的是找到两个脊波导的最佳宽度w，在本发明实施例中，先确定其中一个波导的宽度w2，计算该宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，然后找另一个脊波导的最佳宽度w1，实现的基本思路为：依次改变w1的值，得到各个宽度下该脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，找到w1的值；
具体实现方式为：将弱波导中的宽度设定为w2＝2.85μm，依次改变强波导中的宽度w1，得到相应的宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，如表1所示。
表1仿真得到的相关参数
Figure BDA0003401606590000031
从表1中可以看出，当强波导中宽度w1＝3.5μm时，两种情况下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c吻合的比较好，光波可以有效地从强波导传输到弱波导，反之亦可。
步骤2：设计及分段
如图2所示，绝热模式连接器的几何形状沿传播方向x轴逐渐变化，设计的最重要和关键的部分是锥形部分，具体包括以下步骤：
步骤(2-1)将锥形部分划分成3部分进行设计，分别为Sect-1、Sect-2、Sect-3，如表2所示。
步骤(2-2)锥形部分又分成顶端Si(Top Si)宽度变化部分Δw和中部Si(MediumSi)宽度变化部分ΔW，这两部分的具体分段如表2所示。
表2基于强波导和弱波导的绝热模式连接器的设计参数
Figure BDA0003401606590000041
步骤3：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，表2展示了基于强波导和弱波导的绝热模式连接器的设计参数，然后使用EME求解器扫描每个片段的长度，获得的各个片段的长度如表3所示。
步骤4：拼接各片段构成完整的波导形状。
步骤5：扫描完整的波导的总长度，以获得完整绝热模式连接器的传输曲线，如图3中所示。
步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。从图3中可以看出，当器件长度L＝50μm时，就可以实现99.84％的传输效率。
综上所述，本发明采用绝热模式连接器对两种不同的脊波导进行连接，需要对两种不同的脊波导的宽度进行优化设计，并且需要对绝热模式连接器的锥形部分进行合适的分段设计，实现小尺寸、易加工、大带宽、结构简单的绝热模式转换器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对于两个不同的脊波导，确定两个波导的最佳波导宽度w，使得两个脊波导相匹配；
步骤2：确定两个脊波导相匹配的最佳波导宽度后，对绝热模式连接器进行分段；
步骤3：对每一段进行单独扫描，获得各个片段的长度；
步骤4：拼接各片段构成完整的波导形状；
步骤5：扫描完整波导的总长度，以获得完整绝热模式连接器的传输曲线；
步骤6：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
2.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤1具体内容为：先确定其中一个波导的宽度w2，计算该宽度下脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，然后找另一个脊波导的最佳宽度w1，依次改变w1的值，得到各个宽度下该脊波导中基模的有效折射率neff和高斯光束的强度半径c，找到w1的值。
3.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤2具体内容为：绝热模式连接器的几何形状沿传播方向x轴逐渐变化，设计的锥形部分包括以下步骤：
步骤(2-1)：将锥形部分划分成3部分，分别为Sect-1、Sect-2、Sect-3；
步骤(2-2)：锥形部分又分成顶端Si宽度变化部分Δw和中部Si宽度变化部分ΔW。
4.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤3具体内容为：通过使用EME求解器扫描每个片段的长度，获得的各个片段的长度。
5.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤4具体内容为：从步骤3中得到的各个片段的长度，拼接在一起，形成完整的波导形状。
6.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤5具体内容为：扫描完整器件的总长度，以获得完整绝热模式连接器的传输曲线。
7.根据权利要求1所述的绝热模式连接器的高效设计方法，其特征在于，所述步骤6具体内容为：根据实际需要，通过振荡曲线选择要使用的绝热模式连接器的长度。
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