CN114326101A - 一种绝热模式演化器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝热模式演化器的设计方法，先确定其中一个脊波导结构的顶层硅宽w _R，然后找另一个脊波导结构的顶层硅宽w _L的最佳值，具体通过依次改变w _L的值，计算最小反射率，并找到准确的w _L值。绝热模式演化器在垂直方向上分成顶层硅宽度变化部分和中部硅宽度变化部分，在水平方向上，对于顶层硅宽度变化部分Δw，初始波导宽度与最终波导宽度通过长度为L的直线相演化；对于中部硅宽度变化部分ΔW，初始波导宽度与最终波导宽度通过长度为L的直线相演化。通过本方法设计得到的器件更为紧凑，其结构简单、尺寸小、带宽大。这种紧凑的绝热模式演化器构成了光子集成电路的关键组件。

Description

一种绝热模式演化器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种绝热模式演化器的设计方法。

背景技术

绝热器件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。绝热器件具有很宽的工作带宽和高的制造偏差容忍度，是光子集成回路的一个重要组成成分。为了实现更高集成度的目标，必须设计出超小尺寸的绝热器件。绝热模式演化器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。绝热模式演化器的主要功能是连接光子集成电路中的不同独立器件。绝热模式演化器的设计是光子集成电路中一个重要的研究方向，设计的目标是使“高速公路”的路程尽可能的短，实现器件的小型化，从而实现芯片的高集成度。

现有关于绝热器件的设计都是基于方程组的解析求解，通常比较复杂，不易于使用，需要一些假设和近似，导致设计准确性受到一定影响，很难用于复杂结构的设计，尤其是绝热模式演化器涉及到多个结构参数变化和优化问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种用来连接两个不同的脊波导结构的绝热模式演化器的设计方法，设计得到的器件更为紧凑。

技术方案：一种绝热模式演化器的设计方法，所述绝热模式演化器用于连接两个不同的脊波导结构，第一脊波导结构的顶层硅宽w _L、顶层硅厚h _L1、平板高h _L2；第二脊波导结构的顶层硅宽w _R、顶层硅厚h _R1、平板高h _R2；第一脊波导和第二脊波导平板宽度均为w ₀，所述方法包括如下步骤：

步骤1：首先选定第二脊波导结构的顶层硅宽w _R，然后依次改变第一脊波导结构的宽w _L的值，通过EME模拟器计算直接连接两个脊波导结构方式下的传输效率，传输效率最大值对应的w _L值为第一脊波导结构的最佳宽度；

步骤2：绝热模式演化器的几何形状沿光束传播方向逐渐变化，在垂直所述平板方向上，绝热模式演化器分成顶层硅宽度变化部分Δw和中部硅宽度变化部分ΔW；

在水平方向上，对于顶层硅宽度变化部分Δw，初始波导宽度w _L与最终波导宽度w _R通过长度为L的直线相连接；对于中部硅宽度变化部分ΔW，初始波导宽度w _L与最终波导宽度w ₀也通过长度为L的直线相连接；然后使用EME模拟器得到绝热模式演化器的TE₀模式的功率传输曲线；

步骤3：根据传输效率需求，结合TE₀模式的功率传输曲线选择要使用的绝热模式演化器的长度。

有益效果：本发明方法中，先确定其中一个脊波导结构的顶层硅宽w _R，然后找另一个脊波导结构的顶层硅宽w _L最佳值，具体通过依次改变w _L的值，计算最小反射率（最大传输效率），并找到准确的w _L值。绝热模式演化器在垂直方向上分成顶层硅宽度变化部分Δw和中部硅宽度变化部分ΔW。在水平方向上，对于顶层硅宽度变化部分Δw，初始波导宽度与最终波导宽度通过长度为L的直线相演化；对于中部硅宽度变化部分ΔW，初始波导宽度与最终波导宽度通过长度为L的直线相演化。通过本方法设计得到的器件更为紧凑，其结构简单、尺寸小、带宽大。这种紧凑的绝热模式演化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。

附图说明

图1为实施例中第一脊波导结构的横截面结构示意图；

图2为实施例中第二脊波导结构的横截面结构示意图；

图3为实施例中第一脊波导结构和第二脊波导结构直接连接方式的示意图；

图4为实施例中第二脊波导结构顶层硅宽从730 nm变化到975 nm的传输曲线；

图5为基于第一脊波导结构和第二脊波导结构的绝热模式演化器模型示意图；

图6为图5中a、b、c三处对应的横截面结构示意图；

图7为实施例中绝热模式演化器的传输曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本实施例通过使用在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。本实施例以强脊波导和弱脊波导为例，如图1和图2所示。脊波导的芯1为Si，其折射率n _Si= 3.455，脊波导的包层2为SiO₂，其折射率n _SiO2 = 3.455。

一般情况下，脊波导的厚度都是根据要求预先选择好的，本实施例中：强脊波导作为第一脊波导结构，其顶层硅宽为w _L、顶层硅厚h _L1=420nm、平板高h _L2=80nm；弱脊波导作为第二脊波导结构，其顶层硅宽为w _R、顶层硅厚h _R1=280nm、平板高h _R2=220nm；第一脊波导和第二脊波导平板宽度w ₀=2 μm，第一脊波导结构和第二脊波导结构的长度分别为L ₁、L ₂，光束的波长为1.55 μm。本实施例的目的是要设计一种绝热模式演化器，用来连接强脊波导和弱脊波导，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。本方法具体如下：

步骤1：两个脊波导中的最佳波导宽度的确定。

要设计性能最佳的绝热模式演化器，首先需要找到两个脊波导的最佳宽度w。在本实施例中，先选定第二脊波导结构的顶层硅宽w _R，然后找另一个脊波导的最佳顶层硅宽w _L，实现的基本思路为：依次改变w _L的值，计算最小反射率（最大传输效率），并找到准确的w _L值。

具体实现方式：将第二脊波导结构的顶层硅宽w _R设定为550 nm，改变第一脊波导结构中的顶层硅宽w _L，计算第一脊波导结构和第二脊波导结构采用直接连接方式的传输效率，如图3所示。通过EME模拟器计算该结构的传输效率，各w _L的的传输效率如图4所示，在该直接连接结构总长度L ₀变为零时，检查传输曲线的初始值T ₀。这个初始值是器件长度为零时的光束功率反射，在此情况下，波导的宽度突然变化，从而改变波导模式的传播折射率，初始值T ₀最大的那个宽度就是本发明所需要的w _R宽度。从图4中可以看出，当第一脊波导结构中的顶层硅宽w _L= 900 nm时，第一脊波导结构和第二脊波导结构的直接连接方式传输效率最大，光波可以有效地从第一脊波导结构传输到第二脊波导结构，反之亦可。

步骤2：设计连接第一脊波导结构和第二脊波导结构的中间锥形部分。

根据步骤1得到第一脊波导结构中的顶层硅宽w _L= 900 nm，第二脊波导结构的顶层硅宽w _R= 550 nm，然后对绝热模式演化器进行设计。

如图5、图6所示，绝热模式演化器的几何形状沿光束传播方向逐渐变化，绝热模式演化器分为两部分变化，即在垂直平板方向上，绝热模式演化器分成顶层硅宽度变化部分Δw和中部硅宽度变化部分ΔW，顶层硅宽度变化部分Δw的宽度从900 nm减小到550 nm，中部硅宽度变化部分ΔW的宽度从900 nm增大到2 μm。

在水平方向上，对于顶层硅宽度变化部分Δw，初始波导宽度900 nm与最终波导宽度550 nm通过长度为L的直线相连接；对于中部硅宽度变化部分ΔW，初始波导宽度900 nm与最终波导宽度2 μm也通过长度为L的直线相连接；然后使用EME模拟器得到绝热模式演化器的TE₀模式的功率传输曲线，如图7所示。

步骤3：根据传输效率需求，结合TE₀模式的功率传输曲线选择要使用的绝热模式演化器的长度。从图7中可以看出，当中间部分的绝热模式演化器的长度L = 1.4 μm时，就可以实现99.5%的传输效率。

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)

1.一种绝热模式演化器的设计方法，其特征在于，所述绝热模式演化器用于连接两个不同的脊波导结构，第一脊波导结构的顶层硅宽w _L、顶层硅厚h _L1、平板高h _L2；第二脊波导结构的顶层硅宽w _R、顶层硅厚h _R1、平板高h _R2；第一脊波导和第二脊波导平板宽度均为w ₀，所述方法包括如下步骤：

步骤1：首先选定第二脊波导结构的顶层硅宽w _R，然后依次改变第一脊波导结构的宽w _L的值，通过EME模拟器计算直接连接两个脊波导结构方式下的传输效率，传输效率最大值对应的w _L值为第一脊波导结构的最佳宽度；

步骤2：绝热模式演化器的几何形状沿光束传播方向逐渐变化，在垂直所述平板方向上，绝热模式演化器分成顶层硅宽度变化部分Δw和中部硅宽度变化部分ΔW；

在水平方向上，对于顶层硅宽度变化部分Δw，初始波导宽度w _L与最终波导宽度w _R 通过长度为L的直线相连接；对于中部硅宽度变化部分ΔW，初始波导宽度w _L与最终波导宽度w ₀也通过长度为L的直线相连接；然后使用EME模拟器得到绝热模式演化器的TE₀模式的功率传输曲线；

步骤3：根据传输效率需求，结合TE₀模式的功率传输曲线选择要使用的绝热模式演化器的长度。

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