CN116643354B - 模斑转换器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种模斑转换器的设计方法。该设计方法包括：构建模斑转换器的轮廓函数；基于模斑转换器的轮廓函数来建立模斑转换器的模型；在模斑转换器的第一侧和第二侧分别连接输入波导和输出波导，其中，输入波导的宽度大于输出波导的宽度；在输入波导处设有模式光源，用于发出预定输入功率的光；在输出波导处设有功率监视器，用于监测输出波导的输出功率；以模斑转换器的传输效率为优化目标，通过仿真优化方法来对轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到各项参数的最优解，模斑转换器的传输效率等于输出功率与输入功率的比值；及将得到的各项参数的最优解代入到轮廓函数中以设计得到模斑转换器。因此可缩短模斑转换器的长度。
Description
技术领域
本申请涉及硅基光电子芯片技术领域，尤其涉及一种模斑转换器的设计方法。
背景技术
从PC+（Personal Computer，个人电脑）互联网时代发展至移动+社交媒体时代，到将来的AI+（Artificial Intelligence，人工智能）大数据时代，不断增长和多样化的系统需求推动着许多技术的发展。在摩尔定律步伐放缓的大背景下，应用于光子计算的光子芯片被提出用于替代传统的电子芯片。光子芯片具有低损耗、高带宽等优势。模斑转换器（taper）在光子芯片中是必不可少的一部分，常用于光栅耦合器光栅区与波导之间的衔接。通常光栅区的模斑直径在10um（微米）级别而波导中的模斑直径在1um量级。如果用抛物线型或者线型的模斑转换器进行衔接，通常模斑转换器的长度在百微米量级。如何设计出更短的具有同等传输效率的模斑转换器，是缩小片上器件尺寸的一大困难。
发明内容
本申请的目的在于提供一种模斑转换器的设计方法，能够在较短距离的波导内实现大模斑到小模斑的转换。
本申请的一个方面提供一种模斑转换器的设计方法。所述设计方法包括：构建模斑转换器的轮廓函数；基于所述模斑转换器的所述轮廓函数来建立所述模斑转换器的模型，所述模斑转换器具有第一侧和第二侧；在所述模斑转换器的所述第一侧和所述第二侧分别连接输入波导和输出波导，其中，所述输入波导的宽度大于所述输出波导的宽度；在所述输入波导处设有模式光源，用于发出具有预定输入功率的光；在所述输出波导处设有功率监视器，用于监测所述输出波导的输出功率；以所述模斑转换器的传输效率为优化目标，通过仿真优化方法来对所述轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到所述各项参数的最优解，其中，所述模斑转换器的传输效率等于所述输出功率与所述输入功率的比值；以及将得到的所述各项参数的最优解代入到所述轮廓函数中以设计得到所述模斑转换器。
进一步地，所述构建模斑转换器的轮廓函数包括：构建所述模斑转换器的外轮廓函数；构建所述模斑转换器的周期函数；及基于所述外轮廓函数和所述周期函数来获得所述模斑转换器的所述轮廓函数。
进一步地，基于所述外轮廓函数和所述周期函数来获得所述模斑转换器的所述轮廓函数包括：通过所述外轮廓函数和所述周期函数的相减来获得所述模斑转换器的所述轮廓函数。
进一步地，所述外轮廓函数为单调递减函数，并且，在所述外轮廓函数和所述周期函数相减后得到的所述轮廓函数的起始点和终止点的求导导数为零。
进一步地，所述周期函数的振幅不超过所述外轮廓函数最小值对应的幅值，所述周期函数的周期小于所述外轮廓函数的取值范围。
进一步地，所述外轮廓函数包括二次函数，如以下所示：
所述周期函数包括正弦函数，如以下所示：
其中，a、b、c为所述二次函数的各项系数，d为所述正弦函数的振幅，k为所述正弦函数的周期系数，优化的所述各项参数包括所述二次函数的各项系数、所述正弦函数的振幅和所述正弦函数的周期系数。
进一步地，所述模斑转换器的长度、所述周期函数的周期系数及所述周期函数在所述模斑转换器的长度内所经历的周期数满足以下关系：
其中，z为所述模斑转换器的长度，k为所述周期函数的周期系数，t为所述周期函数在所述模斑转换器的长度内所经历的周期数。
进一步地，所述模斑转换器的长度在十微米量级。
进一步地，通过粒子群仿真优化方法来对所述轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到所述各项参数的最优解。
进一步地，在时域有限差分法仿真软件中构建模斑转换器的轮廓函数。
本申请的模斑转换器的设计方法可以大大缩短模斑转换器的长度、在硅光芯片上的占用空间，可以在极短距离的波导内实现大模斑到小模斑的转换，为片上的高度集成提供了可能性。
附图说明
图1为本申请一个实施例的模斑转换器的设计方法的流程图。
图2为本申请一个实施例的二次函数下的模斑转换器的外轮廓。
图3为本申请一个实施例的正弦函数对应的轮廓。
图4为本申请一个实施例的二次函数减去正弦函数得到的模斑转换器的轮廓。
图5为本申请一个实施例的输入波导、模斑转换器及输出波导的连接关系图。
图6为本申请一个实施例的模斑转换器的仿真优化结果。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例提供了一种模斑转换器的设计方法。图1揭示了本申请一个实施例的模斑转换器的设计方法的流程图。本申请一个实施例的模斑转换器的设计方法可以包括步骤S1至步骤S7。
在步骤S1中，构建模斑转换器的轮廓函数。
为了设计一个超短的模斑转换器（taper），首先需要构建模斑转换器的轮廓函数。模斑转换器的轮廓函数可以在仿真软件中来构建。在一些实施例中，可以在时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）仿真软件中来构建模斑转换器的轮廓函数。
在一些实施例中，模斑转换器的轮廓函数例如可以由两个函数叠加而形成。因此，步骤S1的构建模斑转换器的轮廓函数可以包括步骤S11至步骤S13。
在步骤S11中，构建模斑转换器的外轮廓函数。
在一些实施例中，外轮廓函数为一种单调递减函数，用于收束波导，使波导中的模斑从大到小转换。可选地，本申请的模斑转换器的外轮廓函数例如可以包括二次函数，如以下所示：
其中，a、b、c为二次函数的各项系数。
图2揭示了本申请一个实施例的二次函数下的模斑转换器的外轮廓。如图2所示，左侧作为函数的顶点，导数为零，变化最缓，随着收束增加模斑转换器的变窄速率。例如，模斑转换器的长度可以大约选在20um（微米）左右，即z=20um，左侧宽度为10um（即c=10um）用于适配大部分的光栅耦合器栅区的宽度。
在步骤S12中，构建模斑转换器的周期函数。
周期函数的周期小于外轮廓函数的取值范围，通常在外轮廓函数的取值范围内应具有三至五个周期。周期函数的振幅可以调控，在一些实施例中，周期函数的振幅不超过外轮廓函数最小值对应的幅值。
可选地，本申请的模斑转换器的周期函数例如可以包括正弦函数，如以下所示：
其中，d为正弦函数的振幅，k为正弦函数的周期系数。
图3揭示了本申请一个实施例的正弦函数对应的轮廓。如图3所示，这个正弦函数的振幅不能超过前面选择的二次函数的最小幅值。
在步骤S13中，基于步骤S11中构建的外轮廓函数和步骤S12中构建的周期函数来获得模斑转换器的轮廓函数。
在一些实施例中，可以通过步骤S11中构建的外轮廓函数和步骤S12中构建的周期函数的相减来获得模斑转换器的轮廓函数，从而就可以得到一个随周期变化的逐渐收窄的模斑转换器的轮廓，如图4所示。
然而，本申请的模斑转换器的外轮廓函数并不局限于二次函数，模斑转换器的周期函数也并不局限于正弦函数。在其他实施例中，本申请的模斑转换器的外轮廓函数和周期函数还可以选择其他函数。但凡能够满足以下三点的函数也均将在本申请的保护范围之内，即：一、外轮廓函数单调递减；二、在外轮廓函数和周期函数相减后得到的轮廓函数的起始点和终止点的求导导数为零，即波导宽度的变化速率为零；三、周期函数的振幅不超过外轮廓函数最小值对应的幅值。
继续参照图1并配合参照图5所示，在步骤S2中，可以基于步骤S1中构建出的模斑转换器10的轮廓函数来建立模斑转换器10的模型。模斑转换器10具有第一侧和第二侧。
在步骤S3中，在模斑转换器10的第一侧和第二侧分别连接输入波导20和输出波导30，如图5所示，其中，输入波导20的宽度大于输出波导30的宽度。输入波导20和输出波导30均为直波导。输入波导20和输出波导30可以均为Si（硅）。
在步骤S4中，在输入波导20处设有模式光源（未图示），用于发出具有预定输入功率的光。
在步骤S5中，在输出波导30处设有功率监视器（未图示），用于监测输出波导30的输出功率。
在步骤S6中，以模斑转换器10的传输效率为优化目标，其中，模斑转换器10的传输效率等于输出功率与输入功率的比值。然后，可以通过仿真优化方法来对轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到各项参数的最优解。
在一些实施例中，可以通过粒子群仿真优化方法来对轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到各项参数的最优解。
其中，优化的各项参数包括二次函数的各项系数a、b、c、正弦函数的振幅d和正弦函数的周期系数k。
此外，二次函数和正弦函数的x的范围，也就是模斑转换器10的长度以及正弦函数经历的周期数也是优化的参数之一。为了满足关系使得正弦函数在与输出波导30相连接处导数为零，即此处的模斑转换器10的宽度变化极缓，以上模斑转换器10的长度、周期函数的周期系数及周期函数在模斑转换器10的长度内所经历的周期数满足以下关系：
其中，为模斑转换器10的长度，/>为周期函数的周期系数，/>为周期函数在模斑转换器10的长度内所经历的周期数。
可以对上述a、b、c、d、k、z、t进行粒子群优化仿真，通过不断的迭代，从而可以求得使模斑转换器10的传输效率最高时对应的各项参数，此时得到的即为各项参数的最优解。
在步骤S7中，将步骤S6中得到的各项参数的最优解代入到轮廓函数中以设计得到模斑转换器。
图6揭示了本申请一个实施例的模斑转换器的仿真优化结果。在图6中，示出了在4.5个周期的周期函数的条件下得到的优化结果，其中，横坐标是波长，纵坐标是传输效率。从图6中可以看出，模斑转换器的长度只有18um，峰值输出效率可以达到近85%。其1dB带宽超过700nm（纳米）。
通过本申请的模斑转换器的设计方法设计得到的模斑转换器的长度可以在十微米量级。本申请的模斑转换器的设计方法可以大大缩短模斑转换器的长度、在硅光芯片上的占用空间，可以在极短距离的波导内实现大模斑到小模斑的转换，为片上的高度集成提供了可能性。
以上对本申请实施例所提供的模斑转换器的设计方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的模斑转换器的设计方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (7)
1.一种模斑转换器的设计方法，其特征在于：包括：
构建模斑转换器的轮廓函数，其包括：
构建所述模斑转换器的外轮廓函数；
构建所述模斑转换器的周期函数；及
通过所述外轮廓函数和所述周期函数的相减来获得所述模斑转换器的所述轮廓函数，其中，所述外轮廓函数为单调递减函数，并且，在所述外轮廓函数和所述周期函数相减后得到的所述轮廓函数的起始点和终止点的求导导数为零；
基于所述模斑转换器的所述轮廓函数来建立所述模斑转换器的模型，所述模斑转换器具有第一侧和第二侧；
在所述模斑转换器的所述第一侧和所述第二侧分别连接输入波导和输出波导，其中，所述输入波导的宽度大于所述输出波导的宽度；
在所述输入波导处设有模式光源，用于发出具有预定输入功率的光；
在所述输出波导处设有功率监视器，用于监测所述输出波导的输出功率；
以所述模斑转换器的传输效率为优化目标，通过仿真优化方法来对所述轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到所述各项参数的最优解，其中，所述模斑转换器的传输效率等于所述输出功率与所述输入功率的比值；以及
将得到的所述各项参数的最优解代入到所述轮廓函数中以设计得到所述模斑转换器。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述周期函数的振幅不超过所述外轮廓函数最小值对应的幅值，所述周期函数的周期小于所述外轮廓函数的取值范围。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述外轮廓函数包括二次函数，如以下所示：
所述周期函数包括正弦函数，如以下所示：
其中，、/>、/>为所述二次函数的各项系数，/>为所述正弦函数的振幅，/>为所述正弦函数的周期系数，
优化的所述各项参数包括所述二次函数的各项系数、所述正弦函数的振幅和所述正弦函数的周期系数。
4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述模斑转换器的长度、所述周期函数的周期系数及所述周期函数在所述模斑转换器的长度内所经历的周期数满足以下关系：
其中，为所述模斑转换器的长度，/>为所述周期函数的周期系数，/>为所述周期函数在所述模斑转换器的长度内所经历的周期数。
5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述模斑转换器的长度在十微米量级。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设计方法，其特征在于：通过粒子群仿真优化方法来对所述轮廓函数中的各项参数不断地进行迭代优化以最终得到所述各项参数的最优解。
7.如权利要求1至5中任一项所述的设计方法，其特征在于：在时域有限差分法仿真软件中构建模斑转换器的轮廓函数。
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