一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法

摘要

本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法。解决了目前波导尺寸大、集成度低的问题，其技术方案为：包括以下步骤：S1：确定波导输入端宽度WI和输出端宽度WF；S2：对整个锥形波导进行均匀分段；S3：求出各个片段的长度Li；S4：组成完整的波导；S5：仿真模拟功率传输效率曲线；S6：根据器件选择波导长度。本发明的有益效果为：本发明具有尺寸小、损耗低、传输效率高、结构简单易加工的绝热锥形波导结构的优点。

权利要求

1.一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法，其特征在于，方法包括以下步骤：S1：确定波导输入端宽度WI和输出端宽度WF；

S2：对整个锥形波导进行均匀分段；

S3：求出各个片段的长度Li；

S4：组成完整的波导；

S5：仿真模拟功率传输效率曲线；

S6：根据器件选择波导长度；

所述步骤S2中，将宽度从WI到WF间隔ΔW划分成N个片段，第i个片段输入端的宽度为：Wi＝WI+(i‑1)×ΔW、输出端的宽度为：Wi+1＝WI+i×ΔW，其中i从1增加到N，其中N为正整数；

所述步骤S3中，对于每个片段，采用二次函数来进行设计，以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，此二次函数表达式为：

1/2

y＝Ax         (1)

其中：A为常数，由要设计的结构参数决定；

输入端宽度WI＝2yI，对应的横坐标为xI，输出端宽度WF＝2yF，对应的横坐标为xF，其中xF＞xI＞0，绝对长度LTOT＝xF‑xI，将二次函数的坐标(xiyi)和(xi+1，yi+1)代入方程(1)，可以得到：其中xF＞xi+1＞xi＞xI；

由于宽度Wi＝2yi和宽度Wi+1＝2yi+1，代入方程(2)和(3)，可以得到：方程(4)和(5)等式两边取平方，有：方程(7)减去方程(6)，可以得到：令Wi＝WI，Wi+1＝WF，可以得到系数A的表达式：将系数A的表达式(9)代入方程(8)，可以得到各个片段的长度：方程(10)用于本发明中各个片段长度的计算；

所述步骤S4中，根据各个片段的输入端宽度Wi和输出端宽度Wi+1以及步骤S3得到的各个片段Li的长度来构造各个片段，然后将所有的片段拼接重组构成完整的波导形状；

所述步骤S5通过时域有限差分法或本征模展开法仿真模拟获得整个结构的功率传输效率曲线，该曲线给出了功率传输效率对应的长度。

说明书

一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法。

背景技术

[0002] 光子集成芯片是我国信息科技领域经济发展的重大需求，是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。基于绝热模式演化的绝热锥形波导由于同时具有很宽的带宽和很好的制造公差，在论文：Tu‑Lu Liang,Yongming Tu,Xi Chen,Yingyan Huang,Qiang Bai,Yaying Zhao,Junchi Zhang,Yutong Yuan,Junyu Li,Fei Yi,Wei Shao,and Seng‑Tiong Ho“, Afully numerical methodfor designing efficient adiabatic mode evolution structures(adiabatic taper,coupler,splitter,mode converter)applicable to complex geometries,”IEEE Journal of Lightwave Technology,2021,39(17):5531‑5547.中就体现了这一点。绝热锥形波导在光子集成芯片中具有重要作用，可以作为“连接器”连接各种光学功能单元。同时为了提高集成度实现更小尺寸以满足下一代信息技术的发展需求，绝热锥形波导的小型化设计在未来大规模光子集成芯片中占有举足轻重的地位。

[0003] 由于宽波导的损耗较小，且对宽度变化的敏感性降低，在光子集成芯片中通常需要使用较宽的波导用于连接外部光纤。但是宽波导中包含了多个不同的模式，为了只激发需要的模式，需要使用绝热锥形波导将波导宽度缓慢变大，从而保证光束模式一直为需要的模式，在论文：Y.Fu,T.Ye,W.Tang,and T.Chu,“Efficient adiabatic silicon‑on‑insulator waveguide taper,”Photon.Res.,vol.2,no.3,pp.A41‑A44,Jun.2014.中体现了这一点。绝热锥形波导可以是线性变化，但是线性变化的绝热锥形波导尺寸大，不符合光子集成芯片中更高集成度发展的方向。商业软件(如COMSOL)和仿真算法(如FDTD)对于给定形状的结构可以计算传输效率，然而对于给定的传输效率，难于通过仿真算法或商业软件直接获得绝热器件的最佳波导形状，无法直接实现逆向设计。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法。解决了目前波导尺寸大、集成度低的问题，具有尺寸小、损耗低、传输效率高、结构简单易加工的绝热锥形波导结构的优点。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：包括以下步骤：

[0006] S1：确定波导输入端宽度WI和输出端宽度WF；

[0007] S2：对整个锥形波导进行均匀分段；

[0008] S3：求出各个片段的长度Li；

[0009] S4：组成完整的波导；

[0010] S5：仿真模拟功率传输效率曲线；

[0011] S6：根据器件选择波导长度。

[0012] 步骤S2中，将宽度从WI到WF间隔ΔW划分成N个片段，第i个片段输入端的宽度为：Wi＝WI+(i‑1)×ΔW、输出端的宽度为：Wi+1＝WI+i×ΔW，其中i从1增加到N，

[0013] 其中N为正整数。

[0014] 步骤S3中，对于每个片段，采用二次函数来进行设计，从而缩短绝热锥形波导的器件长度。以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，此二次函数表达式为：

[0015] y＝Ax1/2                    (1)

[0016] 其中：A为常数，由要设计的结构参数决定；

[0017] 输入端宽度WI＝2yI，对应的横坐标为xI，输出端宽度WF＝2yF，对应的横坐标为xF，其中xF>xI>0，绝对长度LTOT＝xF‑xI，将二次函数的坐标(xi,yi)和(xi+1,yi+1)代入方程(1)，可以得到：

[0018]

[0019]

[0020] 其中xF>xi+1>xi>xI。

[0021] 由于宽度Wi＝2yi和宽度Wi+1＝2yi+1，代入方程(2)和(3)，可以得到：

[0022]

[0023]

[0024] 方程(4)和(5)等式两边取平方，有：

[0025]

[0026]

[0027] 方程(7)减去方程(6)，可以得到：

[0028]

[0029] 令Wi＝WI，Wi+1＝WF，可以得到系数A的表达式：

[0030]

[0031] 将系数A的表达式(9)代入方程(8)，可以得到各个片段的长度：

[0032]

[0033] 方程(10)用于本发明中各个片段长度的计算。

[0034] 步骤S4中，根据各个片段的输入端宽度Wi和输出端宽度Wi+1以及步骤S3得到的各个片段Li的长度来构造各个片段，然后将所有的片段拼接重组构成完整的波导形状。

[0035] 步骤S5通过时域有限差分(Finite‑difference time‑domain,FDTD)法或本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)法仿真模拟获得整个结构的功率传输效率曲线，该曲线给出了功率传输效率对应的长度，该长度可用于实际应用。

[0036] 其中FDTD是计算电磁学领域应用最广泛的时域数值方法之一，EME在频域计算麦克斯韦方程组，计算精度高且快，将器件沿传播方向分段，计算每段的本征模式，当器件长度变化时，无需重新计算，在对器件扫描时费时较少。

[0037] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0038] 1 .本 发 明 推 导 出 了 可 用 于 绝 热 锥 形 波 导 逆 向 设 计 的 公 式通过该公式可以直接获得绝热锥形波导的最佳波导形状，设计出的结构相比于现有技术的设计具有尺寸小的优点。

[0039] 2.当需要实现95％的功率传输效率时，本发明器件所需要的长度为36μm，而现有技术所需要的长度为54μm；当需要实现99％的功率传输效率时，本发明器件所需要的长度为78μm，而现有技术所需要的长度为109μm。可见本发明设计方法设计出的结构器件尺寸远小于现有技术的情况。相比于现有技术具备显著的进步，对于实现光子集成芯片更高集成度的目标具有重要价值和应用前景。

[0040] 3 .本 发 明 推 导 出 了 可 用 于 绝 热 锥 形 波 导 逆 向 设 计 的 公 式应用范围广，适用于复杂绝热锥形波导结构的设计。

[0041] 4 .本 发 明 推 导 出 了 可 用 于 绝 热 锥 形 波 导 逆 向 设 计 的 公 式设计出的器件结构简单，易于加工。

附图说明

[0042] 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。

[0043] 图1为本发明绝热锥形波导输入端结构示意图。

[0044] 图2为本发明绝热锥形波导输出端结构示意图。

[0045] 图3为本发明绝热锥形波导逆向设计示意图。

[0046] 图4为本发明设计出的器件结构功率传输效率与现有技术的对比图。

[0047] 其中，附图标记为：1‑硅芯、2‑包层。

具体实施方式

[0048] 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。

[0049] 实施例1

[0050] 一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法，包括以下步骤：

[0051] S1：确定波导输入端宽度WI和输出端宽度WF；

[0052] S2：对整个锥形波导进行均匀分段；

[0053] S3：求出各个片段的长度Li；

[0054] S4：组成完整的波导；

[0055] S5：仿真模拟功率传输效率曲线；

[0056] S6：根据器件选择波导长度。

[0057] 步骤S2中，将宽度从WI到WF间隔ΔW划分成N个片段，第i个片段输入端的宽度为：Wi＝WI+(i‑1)×ΔW、输出端的宽度为：Wi+1＝WI+i×ΔW，其中i从1增加到N，

[0058] 其中N为正整数。

[0059] 步骤S3中，对于每个片段，采用二次函数来进行设计，从而缩短绝热锥形波导的器件长度。以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，此二次函数表达式为：

[0060] y＝Ax1/2                    (1)

[0061] 其中：A为常数，由要设计的结构参数决定；

[0062] 输入端宽度WI＝2yI，对应的横坐标为xI，输出端宽度WF＝2yF，对应的横坐标为xF，其中xF>xI>0，绝对长度LTOT＝xF‑xI，将二次函数的坐标(xi,yi)和(xi+1,yi+1)代入方程(1)，可以得到：

[0063]

[0064]

[0065] 其中xF>xi+1>xi>xI。

[0066] 由于宽度Wi＝2yi和宽度Wi+1＝2yi+1，代入方程(2)和(3)，可以得到：

[0067]

[0068]

[0069] 方程(4)和(5)等式两边取平方，有：

[0070]

[0071]

[0072] 方程(7)减去方程(6)，可以得到：

[0073]

[0074] 令Wi＝WI，Wi+1＝WF，可以得到系数A的表达式：

[0075]

[0076] 将系数A的表达式(9)代入方程(8)，可以得到各个片段的长度：

[0077]

[0078] 方程(10)用于本发明中各个片段长度的计算。

[0079] 步骤S4中，根据各个片段的输入端宽度Wi和输出端宽度Wi+1以及步骤S3得到的各个片段Li的长度来构造各个片段，然后将所有的片段拼接重组构成完整的波导形状。

[0080] 步骤S5通过时域有限差分(Finite‑difference time‑domain,FDTD)法或本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)法仿真模拟获得整个结构的功率传输效率曲线，该曲线给出了功率传输效率对应的长度，该长度可用于实际应用。

[0081] 其中FDTD是计算电磁学领域应用最广泛的时域数值方法之一，EME在频域计算麦克斯韦方程组，计算精度高且快，将器件沿传播方向分段，计算每段的本征模式，当器件长度变化时，无需重新计算，在对器件扫描时费时较少。

[0082] 实施例2

[0083] 在实施例1的基础上，步骤1：确定波导输入端宽度WI和输出端宽度WF。

[0084] 绝热锥形波导的横截面如图1所示，该结构包括硅芯1和包层2，其中硅芯1的折射率nSi＝3.455，其厚度为h，宽度W从左端WL变化到右端WR，如图2所示。包层2的材料为二氧化硅，折射率nSiO2＝1.445，厚度为h0，宽度W0。入射光束波长设置为1.55μm。

[0085] 二氧化硅的宽度W0＝10μm，厚度h0＝1.5μm，硅的厚度h＝300nm，硅的宽度从WI＝2μm增加到WF＝8μm。

[0086] 步骤2：本示例采用均匀分段，将宽度从WI＝2μm到WF＝8μm间隔ΔW＝0.1μm划分成N＝60个片段。第i个片段输入端和输出端的宽度分别为Wi＝[2+(i‑1)×0.1]μm和Wi+1＝(2+i×0.1)μm，其中i从1增加到N＝60。

[0087] 步骤3：对于每个片段，根据方程 得到各个片段的长度Li，如表1所示。

[0088] 表1各个片段的长度Li

[0089]

[0090] 步骤4：根据各个片段的输入端宽度Wi和输出端宽度Wi+1以及步骤S3得到的各个片段的长度来构造各个片段，然后将所有的片段拼接重组构成完整的波导形状。

[0091] 步骤5：通过时域有限差分(Finite‑difference time‑domain,FDTD)法或本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)法仿真模拟获得整个结构的功率传输效率曲线，如图4所示。该图给出了功率传输效率对应的长度，该长度可用于实际应用。

[0092] 步骤6：根据实际应用需求选择需要使用的器件长度。

[0093] 如图4所示，当需要实现95％的功率传输效率时，本发明器件所需要的长度为36μm，而线性连接所需要的长度为54μm；当需要实现99％的功率传输效率时，本发明器件所需要的长度为78μm，而线性连接所需要的长度为109μm。可见本发明设计方法设计出的结构器件尺寸远小于线性连接的情况。众所周知，器件尺寸越小，在芯片中就能集成更多的器件结构，生产出的产品功能性就越强。因此，本发明的逆向设计方法对于光子集成芯片中器件的小型化设计具有重要的作用。

[0094] 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。