CN114895462A - 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置 - Google Patents

一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114895462A
CN114895462A CN202210823414.9A CN202210823414A CN114895462A CN 114895462 A CN114895462 A CN 114895462A CN 202210823414 A CN202210823414 A CN 202210823414A CN 114895462 A CN114895462 A CN 114895462A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
sequence
reverse tapered
type
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210823414.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114895462B (zh
Inventor
王震
储涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang Lab
Priority to CN202210823414.9A priority Critical patent/CN114895462B/zh
Publication of CN114895462A publication Critical patent/CN114895462A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114895462B publication Critical patent/CN114895462B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置，基于波导模式的等效折射率和模场等效面积，通过设计两者的变化趋势，反推得到反向锥形波导的线型。与抛物线型相比，此线型设计方法能够使端面耦合器在更短的长度下，实现更高的耦合效率，从而减短端面耦合器的长度，提高光芯片的集成度。

Description

一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置
技术领域
本发明涉及端面耦合器技术领域，特别涉及一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置。
背景技术
光纤与光芯片之间进行光耦合主要有端面耦合和光栅耦合两种方式，端面耦合由于耦合效率高、带宽大、波长和偏振敏感度小等优势得到了广泛的关注。由于光纤和芯片上光波导的模场半径强烈不匹配，反向锥形波导被用作端面耦合器设计的关键组成部分。另一方面，端面耦合器的尺寸，特别是长度，是影响光芯片集成度的重要因素。而决定反向锥形波导长度的关键是其线型，不同线型的反向锥形波导达到绝热传输所需的长度大有不同。目前常用的线型为线性和抛物线型两种。已有的研究表明，抛物线型所需的绝热传输长度要大幅度短于线性设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，具体包括如下步骤：
S1、构建波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系；
S2、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，确定优化对象；
S3、设计优化对象的变化数列；
S4、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，通过数值插值确定优化对象的变化数列所对应的波导宽度的变化数列；
S5、根据S4中确定的波导宽度的变化数列，构建反向锥形波导线型；
作为优选，步骤S1具体操作如下：
S11、确定反向锥形波导的厚度、尖端宽度、末端宽度、材料以及周围介电环境；
S12、计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
作为优选，步骤S12中通过仿真软件计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
作为优选，步骤S12中计算模式采用TE基模或TM基模中的一种。
作为优选，步骤S2的具体操作如下：
S21、分析模式的等效折射率和模场等效面积随波导宽度的变化趋势；
S22、选取变化趋势较为剧烈的一项作为优化对象。
作为优选，步骤S3的具体操作如下：
S31、根据需要确定变化数列的元素数目以及变化数列的类型；
S32、根据变化数列的元素数目以及变化数列的类型设计变化数列。
作为优选，所述变化数列的类型为等差数列、等比数列或抛物线变化数列中的一种。
作为优选，步骤S4中所述数值插值的类型为线性插值、平方插值或立方插值中的一种。
作为优选，步骤S5具体包括如下操作：
S51、确定反向锥形波导的长度；
S52、建立与步骤S4确定的波导宽度的变化数列等元素数目的一组等间距变化的长度数列；
S53、将S52中的长度数列与波导宽度的变化数列一一对应得到构建完成的反向锥形波导线型。
本发明还公开了一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法。
本发明的有益效果：
1、在更短的端面耦合器长度下，实现更高的耦合效率：反向锥形波导的传输损耗跟模式的等效折射率和模场等效面积息息相关。一般情况下，反向锥形波导模式的等效折射率和模场等效面积随着波导宽度都存在急剧变化的区域。这意味着两者存在失配的情况，那么传输过程中将会有较大的散射损耗。通过上述设计可以使等效折射率和模场等效面积更加缓慢地变化，降低散射损耗，从而实现更高的耦合效率。
2、减短端面耦合器的长度，提高光芯片的集成度：上面已经提到，一般情况下，反向锥形波导模式的等效折射率和模场等效面积随着波导宽度都存在急剧变化的区域。通过上述设计可以使原来的集中式急剧变化转变为分散式缓慢变化，从反向锥形波导局部起作用转变为整体起作用，从而可以实现更短的绝热传输长度。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例所基于的反向锥形波导的结构示意图；
图2是不同波导宽度下的TE基模的等效折射率和模场等效面积；
图3是以200 μm的反向锥形波导长度为例，线性、抛物线和本实施例线型和TE基模的模场等效面积的对比；
图4是不同反向锥形波导长度下抛物线和本实施例线型与标准单模光纤TE基模的耦合效率的对比；
图5是本发明一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法的流程图；
图6是本发明一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图5，本发明实施例提供一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，具体包括如下步骤：
S1、构建波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系；
S2、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，确定优化对象；
S3、设计优化对象的变化数列；
S4、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，通过数值插值确定优化对象的变化数列所对应的波导宽度的变化数列；
S5、根据S4中确定的波导宽度的变化数列，构建反向锥形波导线型；
在一种可行的实施例中，步骤S1具体操作如下：
S11、确定反向锥形波导的厚度、尖端宽度、末端宽度、材料以及周围介电环境；
S12、计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
在一种可行的实施例中，步骤S12中通过仿真软件计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
在一种可行的实施例中，步骤S12中计算模式采用TE基模或TM基模中的一种。
在一种可行的实施例中，步骤S2的具体操作如下：
S21、分析模式的等效折射率和模场等效面积随波导宽度的变化趋势；
S22、选取变化趋势较为剧烈的一项作为优化对象。
在一种可行的实施例中，步骤S3的具体操作如下：
S31、根据需要确定变化数列的元素数目以及变化数列的类型；
S32、根据变化数列的元素数目以及变化数列的类型设计变化数列。
在一种可行的实施例中，所述变化数列的类型为等差数列、等比数列或抛物线变化数列中的一种。
在一种可行的实施例中，步骤S4中所述数值插值的类型为线性插值、平方插值或立方插值中的一种。
在一种可行的实施例中，步骤S5具体包括如下操作：
S51、确定反向锥形波导的长度；
S52、建立与步骤S4确定的波导宽度的变化数列等元素数目的一组等间距变化的长度数列；
S53、将S52中的长度数列与波导宽度的变化数列一一对应得到构建完成的反向锥形波导线型。
具体实施例：
下面结合图1-图4，详细描述本发明实施例的实施过程及其优势。
本发明实施例所基于的反向锥形波导结构及参数如图1所示，反向锥形波导的材料为Si3N4，厚度t_Si3N4为0.18 μm，尖端宽度w1和末端宽度w2分别为0.23和0.9 μm，中心距Si衬底的高度h_Si3N4为4.6 μm，长度为L_taper，为可变量。其被包裹在SiO2材料中，SiO2宽度w_SiO2和厚度t_SiO2分别为17 μm和9 μm。
以TE基模为例，图2中的(a)和(b)分别是利用仿真软件计算得到的不同波导宽度下TE基模的等效折射率和模场等效面积，仿真波长为1.31 μm，Si3N4、SiO2和Si的折射率分别为2.0031、1.4579和3.503。可以看到，等效折射率随着波导宽度变化缓慢且变化范围很小；而模场等效面积随着波导宽度的增加先急剧减小，然后缓慢变化。选择模场等效面积为优化对象。
从图2中可以看到波导宽度从0.23到0.9 μm，TE模式的模场等效面积从30.0676减小到0.940129 μm2。建立元素数目为2001的从30.0676到0.940129的等比数列A，即相邻两个元素之间的变化率是恒定的。
在图2中的(b)的基础上，利用数值插值的方法得到数列A所对应的波导宽度数列B，本实施例采用的是立方插值。
以200 μm的反向锥形波导长度为例，建立元素数目为2001从0到200的等差数列C。数列C和数列B一一对应即得到了设计好的本实施例的线型，如图3中的(a)中点划线所示。作为对比，图3中的(a)同时展示了线性和抛物线线型。图3中的(b)对比了此三种线型下TE模式的模场等效面积的变化趋势。
图4展示了利用仿真软件计算得到的不同反向锥形波导长度下抛物线和本实施例线型与标准单模光纤TE基模的耦合效率，可以看到，在短于300 μm长度的情况下，本实施例线型的耦合效率要明显由于抛物线型，即在更短的反向锥形波导的长度下，实现了更高的耦合效率。另外，本实施例线型在200 μm长度下基本达到了绝热传输，而抛物线型在300 μm长度下才基本达到绝热传输。因此，本实施例将绝热长度缩短了1.5倍，可以大幅减短端面耦合器的长度。
本发明一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图6所示，为本发明一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图6所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card, SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card）等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、构建波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系；
S2、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，确定优化对象；
S3、设计优化对象的变化数列；
S4、根据S1中波导宽度与模式的等效折射率、模场等效面积的对应关系，通过数值插值确定优化对象的变化数列所对应的波导宽度的变化数列；
S5、根据S4中确定的波导宽度的变化数列，构建反向锥形波导线型。
2.如权利要求1所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于，步骤S1具体操作如下：
S11、确定反向锥形波导的厚度、尖端宽度、末端宽度、材料以及周围介电环境；
S12、计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
3.如权利要求2所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于：步骤S12中通过仿真软件计算得到不同波导宽度所对应的模式的等效折射率和模场等效面积。
4.如权利要求2所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于：步骤S12中计算模式采用TE基模或TM基模中的一种。
5.如权利要求1所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于，步骤S2的具体操作如下：
S21、分析模式的等效折射率和模场等效面积随波导宽度的变化趋势；
S22、选取变化趋势较为剧烈的一项作为优化对象。
6.如权利要求1所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于，步骤S3的具体操作如下：
S31、根据需要确定变化数列的元素数目以及变化数列的类型；
S32、根据变化数列的元素数目以及变化数列的类型设计变化数列。
7.如权利要求6所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于：所述变化数列的类型为等差数列、等比数列或抛物线变化数列中的一种。
8.如权利要求1所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于：步骤S4中所述数值插值的类型为线性插值、平方插值或立方插值中的一种。
9.如权利要求1所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法，其特征在于：步骤S5具体包括如下操作：
S51、确定反向锥形波导的长度；
S52、建立与步骤S4确定的波导宽度的变化数列等元素数目的一组等间距变化的长度数列；
S53、将S52中的长度数列与波导宽度的变化数列一一对应得到构建完成的反向锥形波导线型。
10.一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计装置，其特征在于：包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-9任一项所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1-9任一项所述的一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法。
CN202210823414.9A 2022-07-14 2022-07-14 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置 Active CN114895462B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210823414.9A CN114895462B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210823414.9A CN114895462B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114895462A true CN114895462A (zh) 2022-08-12
CN114895462B CN114895462B (zh) 2022-09-23

Family

ID=82730167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210823414.9A Active CN114895462B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114895462B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1062643A (ja) * 1996-08-23 1998-03-06 Toyota Central Res & Dev Lab Inc テーパ光導波路及びその設計方法
US20160055122A1 (en) * 2014-08-22 2016-02-25 Mentor Graphics Corporation Design and analysis of silicon photonics array wave guides
US20160341896A1 (en) * 2015-05-19 2016-11-24 Alexandre Horth Methods and systems relating to optical waveguide tapers
CN110268588A (zh) * 2016-12-06 2019-09-20 菲尼萨公司 具有光学插入器的表面耦合激光器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1062643A (ja) * 1996-08-23 1998-03-06 Toyota Central Res & Dev Lab Inc テーパ光導波路及びその設計方法
US20160055122A1 (en) * 2014-08-22 2016-02-25 Mentor Graphics Corporation Design and analysis of silicon photonics array wave guides
US20160341896A1 (en) * 2015-05-19 2016-11-24 Alexandre Horth Methods and systems relating to optical waveguide tapers
CN110268588A (zh) * 2016-12-06 2019-09-20 菲尼萨公司 具有光学插入器的表面耦合激光器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUNFEI FU, TONG YE, WEIJIE TANG, AND TAO CHU: "《Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper》", 《PHOTON. RES.》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114895462B (zh) 2022-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11036004B2 (en) Compact and low loss Y-junction for submicron silicon waveguide
CN112255727B (zh) 端面耦合器和半导体器件
CA2554553A1 (en) Planar lightwave circuit with mode coupling and mode re-coupling means
CN105759357A (zh) 一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器
JP6687060B2 (ja) 光導波路、それを用いた光部品および波長可変レーザ
CN113325514B (zh) 光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器
CN114895462B (zh) 一种端面耦合器中反向锥形波导线型的设计方法及装置
Gao et al. Observation of Anderson phase in a topological photonic circuit
CN113767312B (zh) 具有非对称光学损耗性能曲线和改进的最坏情况光学损耗性能的柔性波导
US20210167866A1 (en) Communications systems comprising waveguide arrays for realizing localized quantum walks
CN115576100A (zh) 一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法
US11158096B1 (en) Topology optimization using straight-through estimators
CN114942490B (zh) 一种基于特征矩阵的多包层阶跃光纤设计方法
CN117008249B (zh) 一种铌酸锂波分复用器及光信号复用方法
CN111352187B (zh) 一种波导终结器、光通信器件及光终结的方法
CN116990962A (zh) 一种基于反向设计的t分支组成的光学相控阵设计方法
US20220229227A1 (en) Integrated photonics vertical coupler based on subwavelength grating
CN115657204B (zh) 一种偏振滤波器
CN112630882B (zh) 多芯体环形光纤以及包含所述光纤的量子系统
CN107632339A (zh) 一种波导光栅耦合器的设计方法
Spühler et al. Towards structural optimization of planar integrated lightwave circuits
Song et al. Planar grating multiplexers using silicon nanowire technology: numerical simulations and fabrications
Lourenço et al. Multimode interference reflectors and output tuning using neural networks
Mahmoodi et al. Design and modeling of ultrashort MMI-based couplers
CN111366337A (zh) 一种片上偏振旋转测试装置和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant