CN114859464B - 一种基模模场转换器及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基模模场转换器及其构建方法，包括：窄波导接口、宽波导接口以及连接所述窄波导接口和宽波导接口的主体，其中，主体在平行于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。本发明的优点在于：相对于传统方案中基模模场尺寸转换器简单的梯形轮廓，本发明设计的基模模场尺寸转换器具有更低的基模损耗和更低的高阶模模式激发比，因此在保持同等性能的情况下可以显著减小模场尺寸转换器的尺寸，有利于光子系统的小型化，提高集成度。

Description

一种基模模场转换器及其构建方法

技术领域

本发明涉及片上光子系统领域，更重要的，涉及一种小尺寸基模模场转换器及其构建方法。

背景技术

目前，光子芯片技术发展迅速并受到广泛的关注，基础片上光子器件的设计成为一个热门研究领域，而模场转换器是一种广泛应用于光子学技术的基础器件，用于光子芯片中光波在不同横截面尺寸的波导之间的模场转换。

在片上光子系统中，通常会用到不同宽度的直波导，而不同宽度直波导之间的光波传输和模场转换就需要用到模场转换器来转换模场尺寸，从而使光波可以低损耗地传输并保持原来的模式，而在大部分应用中往往需要波导中的光波保持基模。

传统方法中通常将模场转换器设计成一个简单的梯形轮廓，并使其两端宽度分别对应需要连接的直波导的宽度，这种方法设计起来简单但是有很多限制，如图1所示，传统方法设计的模场转换器轮廓线与其连接的直波导轮廓线在连接点处会形成折线，而如果将模场转换器设计的太短，则形成的折线夹角的角度会过小，这会激发高阶模并增大基模的损耗。所以传统方法设计的模场转换器往往需要很长的长度才能增大连接点处形成的折线角角度，从而减小基模损耗和高阶模的模式激发比，但这十分不利于片上光子系统的小型化，制约着片上光子系统的集成度的提高。

目前有文献报道一些实现减小模场转换器尺寸的方法，像如增加结构复杂度、添加片上聚焦透镜等方法，这些方法往往结构复杂，设计繁琐。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种基模模场转换器，包括：

窄波导接口、宽波导接口以及连接所述窄波导接口和宽波导接口的主体，其中，主体在平行于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。

进一步地，所述四阶贝塞尔曲线的公式为：

式中P表示组成轮廓曲线的点的坐标，t是一个从0到1的等比数列，t所包含的数字个数等于组成轮廓曲线的点的个数，t的数值代表相应的点在曲线上的顺序，P₀、P₁、P₂、P₃和P₄是5个点的坐标。

进一步地，通过设置所述5个点的坐标控制所述四阶贝塞尔曲线的走向。

进一步地，所述设置所述5个点的坐标的方法如下：

给出7个参数W₁、W₂、W₀、B₁、B₂、B₀和L来控制5个点P₀、P₁、P₂、P₃和P₄的坐标，其中L表示转换器的长度，W₁、W₂、W₀分别控制P₀、P₄、P₂三个点的纵坐标，P₀和P₄的纵坐标分别与左右两侧连接的窄波导和宽波导的宽度对应，取转换器纵向对称轴为纵向坐标0点轴，则P₀和P₄的纵坐标分别设置为W₁/2和W₂/2，将P₁和P₃两点的纵坐标设置为分别与P₀和P₄相同，P₀和P₄的横坐标分别为转换器的起点位置和终点位置；

B₁、B₂、B₀分别控制P₁、P₃、P₂三个点的横坐标，给B₁、B₂、B₀和W₀赋初值得到P₁、P₃、P₂三个点的初始横坐标和P₂的初始纵坐标。

进一步地，计算基模通过所述转换器后的损耗和模式激发比，改变5个点的坐标来优化基模模场转换器的轮廓线，重复上述过程以确定所述四阶贝塞尔曲线。

进一步地，所述计算基模通过所述转换器后的损耗和模式激发比的方法为：

通过时域有限差分法或者软件求解麦克斯韦方程组得到转换器内的电磁场分布，进而得到光场通过所述转换器之后的基模损耗和高阶模模式激发比。

进一步地，所述改变5个点的坐标来优化基模模场转换器的轮廓线的方法为：

调整B₁、B₂、B₀和W₀的值来优化轮廓曲线，如此迭代来确定B₁、B₂、B₀和W₀的最终值使基模模场转换器的基模损耗和高阶模模式激发比最低，则得到所述5个点的最终坐标，从而得到所述四阶贝塞尔曲线。

进一步地，所述主体在垂直于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线为条形、脊形、或凸字脊形。

进一步地，所述基模模场转换器的长度为30μm，所述窄波导的宽度为0.45μm，所述宽波导的宽度为1.6μm。

本发明还提供了一种基模模场转换器的构建方法，包括：

设置所述基模模场转换器在窄波导接口、宽波导接口之间的五个点坐标；

根据五个点坐标生成所述基模模场转换器的主体在平行于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线，所述轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。

本发明的优点在于：相对于传统方案中基模模场尺寸转换器简单的梯形轮廓，本发明设计的基模模场尺寸转换器具有更低的基模损耗和更低的高阶模模式激发比，因此在保持同等性能的情况下可以显著减小模场尺寸转换器的尺寸，有利于光子系统的小型化，提高集成度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了传统方法设计的模场转换器纵截面结构示意图。

附图2示出了根据本发明实施方式的模场转换器纵截面结构示意图。

附图3示出了根据本发明实施方式的模场转换器设计原理示意图。

附图4-6示出了根据本发明实施方式的模场转换器三种横截面结构示意图。

附图7示出了本发明与传统模场转换器的模式激发比对比示意图。

附图8示出了根据本发明实施方式的模场转换器设计过程实例示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供一种应用于片上光子系统的小尺寸基模模场尺寸转换器的设计方法，所述基模模场尺寸转换器的设计方法是一种不同于传统方法的设计方案，其将模场尺寸转换器轮廓设计为四阶贝塞尔(Bezier)曲线。

本发明提供了一种克服上述问题的小尺寸基模模场转换器，如图2所示，基模模场转换器包括：窄波导接口、宽波导接口以及连接窄波导接口和宽波导接口的主体，其中，主体在平行于窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线为两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。

如此，本发明有效消除了传统模场转换器轮廓线与其连接的直波导轮廓线在连接点处的折线角，并且可以优化模场转换器整体轮廓来减小基模损耗和高阶模模式激发比，从而在保持与传统模场转换器同样性能的条件下显著减小尺寸。

本发明还提供了一种基模模场转换器的构建方法，包括：

设置基模模场转换器在窄波导接口、宽波导接口之间的五个点坐标；

根据五个点坐标生成基模模场转换器的主体在平行于窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线，轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。

具体的，本发明设计方法是一种基于四阶贝塞尔曲线的方法，这种方法将基模模场转换器的轮廓线设计为四阶贝塞尔曲线，四阶贝塞尔曲线的公式为：

式中P表示组成轮廓曲线的点的坐标，t是一个从0到1的等比数列，t所包含的数字个数等于组成轮廓曲线的点的个数，而t的数值代表相应的点在曲线上的顺序，P₀、P₁、P₂、P₃和P₄是5个点的坐标，这5个点的坐标控制着曲线的走向，如图3所示，基模模场转换器的轮廓线由两条在垂直方向镜像对称的贝塞尔曲线构成，只要确定其中一条贝塞尔曲线即可，通过设置5个点的坐标即可控制其走向从而绘制出想要得到的曲线轮廓。在实际设计中可通过改变5个点的坐标来改变基模模场转换器的轮廓线并同步计算基模通过转换器后的损耗和模式激发比，同时对结果进行分析反馈，然后进一步改变5个点的坐标来优化基模模场转换器的轮廓线，不断往复最终确定可以保证基模模场转换器最佳性能的轮廓线。

根据目前已有的加工工艺，常见的光波导横截面结构有如图4-6所示的三种，包括条形、脊形、凸字脊形。本发明仅以第一种条形波导为例介绍提出的基模模场转换器的设计方法，需要注意的是，本发明提出的设计方法可以扩展应用于图示三种以及更多横截面结构类型的光波导，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

本发明将基模模场转换器的轮廓线设计为四阶贝塞尔曲线，可以使其与相连接的直波导更为圆滑地连接，消除传统方法中会在连接处产生的折线角，同时本发明可以进一步优化模场转换器的整体轮廓曲线，显著降低模场转换器的基模损耗和高阶模模式激发比，作为结果，本发明方法可以在保持性能的前提下设计出极小尺寸的基模模场转换器，有利于片上光子系统的小型化，提高集成度。

如图7所示，左右两图分别是利用本发明提出的设计方法设计的30微米长基模模场转换器和利用传统方法设计的100微米长基模模场转换器的基模损耗和高阶模模式激发比数据，图7数据由Lumerical MODE Solutions软件模拟仿真基模从0.45微米宽窄波导经两种模场转换器传输到1.6微米宽宽波导后的基模和高阶模模式激发比，图中TE0为基模，TE2为高阶模，其他高阶模被忽略(<-100dB)，可见两种转换器的TE0模激发比都趋向于0dB，说明二者基模损耗都趋近于0，而本发明提出的方法设计的基模模场转换器的TE2模激发比略小于传统基模模场转换器，说明本发明在保持性能的前提下将基模模场转换器的长度从100微米缩小到30微米，明显减小了其尺寸。

实施例1

以设计一个30μm长用来连接左侧0.45μm宽和右侧1.6μm宽直波导的基模模场转换器为例，介绍本发明提出的设计方法，如图8所示，为方便设计，给出7个参数W₁、W₂、W₀、B₁、B₂、B₀和L来控制5个点P₀、P₁、P₂、P₃和P₄的坐标，其中L表示转换器的长度，则设置为30μm，W₁、W₂、W₀分别控制P₀、P₄、P₂三个点的纵坐标，P₀和P₄的纵坐标应分别与左右两侧连接的两条直波导宽度对应，取转换器纵向对称轴为纵向坐标0点轴，则P₀和P₄的纵坐标应分别设置为W₁/2＝0.225μm和W₂/2＝0.8μm，为保证转换器与两端直波导连接处轮廓线足够圆滑，将P₁和P₃两点的纵坐标设置为分别与P₀和P₄相同，P₀和P₄的横坐标分别为转换器的起点长度0μm和终点长度30μm，B₁、B₂、B₀则分别控制P₁、P₃、P₂三个点的横坐标，则可给B₁、B₂、B₀和W₀赋初值得到P₁、P₃、P₂三个点的初始横坐标和P₂的初始纵坐标，至此所有5个点的坐标初步确定，可初步绘制出一个转换器轮廓，之后可通过时域有限差分法(FDTD算法)或者Lumerical公司的MODESolutions或者FDTD Solutions等软件求解麦克斯韦方程组得到转换器内的电磁场分布，进而得到光场通过所设计的转换器之后的基模损耗和高阶模模式激发比，得到结果后可分析反馈并进一步调整B₁、B₂、B₀和W₀的值来优化轮廓曲线，如此迭代来确定B₁、B₂、B₀和W₀的最终值使设计的基模模场转换器的基模损耗和高阶模模式激发比最低，则可得到五个点的最终坐标，从而可以绘制出转换器的最终轮廓，至此所述小尺寸基模模场转换器的设计完毕。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基模模场转换器，其特征在于，包括：

窄波导接口、宽波导接口以及连接所述窄波导接口和宽波导接口的主体，其中，所述主体在平行于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成；

所述四阶贝塞尔曲线的公式为：

式中P表示组成轮廓曲线的点的坐标，t是一个从0到1的等比数列，t所包含的数字个数等于组成轮廓曲线的点的个数，t的数值代表相应的点在曲线上的顺序，P₀、P₁、P₂、P₃和P₄是5个点的坐标；

通过设置所述5个点的坐标控制所述四阶贝塞尔曲线的走向；

所述设置所述5个点的坐标的方法如下：

给出7个参数W₁、W₂、W₀、B₁、B₂、B₀和L来控制5个点P₀、P₁、P₂、P₃和P₄的坐标，其中L表示转换器的长度，W₁、W₂、W₀分别控制P₀、P₄、P₂三个点的纵坐标，P₀和P₄的纵坐标分别与左右两侧连接的窄波导和宽波导的宽度对应，取转换器纵向对称轴为纵向坐标0点轴，则P₀和P₄的纵坐标分别设置为W₁/2和W₂/2，将P₁和P₃两点的纵坐标设置为分别与P₀和P₄相同，P₀和P₄的横坐标分别为转换器的起点位置和终点位置；

B₁、B₂、B₀分别控制P₁、P₃、P₂三个点的横坐标，给B₁、B₂、B₀和W₀赋初值得到P₁、P₃、P₂三个点的初始横坐标和P₂的初始纵坐标；

计算基模通过所述转换器后的损耗和模式激发比，改变5个点的坐标来优化基模模场转换器的轮廓线，重复上述过程以确定所述四阶贝塞尔曲线；

所述基模模场转换器的长度为30μm，所述窄波导的宽度为0.45μm，所述宽波导的宽度为1.6μm。

2.根据权利要求1所述的一种基模模场转换器，其特征在于，

所述计算基模通过所述转换器后的损耗和模式激发比的方法为：

通过时域有限差分法或者软件求解麦克斯韦方程组得到转换器内的电磁场分布，进而得到光场通过所述转换器之后的基模损耗和高阶模模式激发比。

3.根据权利要求2所述的一种基模模场转换器，其特征在于，

所述改变5个点的坐标来优化基模模场转换器的轮廓线的方法为：

调整B₁、B₂、B₀和W₀的值来优化轮廓曲线，如此迭代来确定B₁、B₂、B₀和W₀的最终值使基模模场转换器的基模损耗和高阶模模式激发比最低，则得到所述5个点的最终坐标，从而得到所述四阶贝塞尔曲线。

4.根据权利要求1所述的一种基模模场转换器，其特征在于，

所述主体在垂直于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线为条形、脊形、或凸字脊形。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的基模模场转换器的构建方法，其特征在于，包括：

设置所述基模模场转换器在窄波导接口、宽波导接口之间的五个点坐标；

根据五个点坐标生成所述基模模场转换器的主体在平行于所述窄波导接口与宽波导接口连接线的截面上的轮廓曲线，所述轮廓曲线由两条镜像对称的四阶贝塞尔曲线构成。