一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法技术

本发明专利技术提供一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法，包括以下步骤：步骤1：绝热模式转换器的分段：将绝热模式转换器分为对称的两部分，将这两部分再分别分为15个不同的片段进行仿真，得到确定各个片段所需要的参数；步骤2：对于每个片段，由方程及FDTD仿真模拟参数来确定每一段的传播长度L；步骤3：使用得到的传播长度L来构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状；步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式转换器的传输曲线；步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。本发明专利技术提出了一种绝热模式转换器的新型数值设计方法，设计简单，并且设计出的器件尺寸小、结构简单、带宽大、易加工。易加工。易加工。

【技术实现步骤摘要】
一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法


[0001]本专利技术属于绝热模式转换器设计方法
，具体涉及一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法。

技术介绍

[0002]基于SOI结构的硅波导因其与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺的制造兼容性以及良好的模式限制和增强的非线性而引起了广泛关注。不同器件中的波导通常设计成不同的截面，以实现不同的功能。绝热转换器为这些器件提供连接，绝热转换器包含两个足够靠近的波导，它们各自的光学模式的部分场彼此重叠，其中一个波导中光束功率可以部分或完全耦合到另一个波导，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。
[0003]在设计绝热转换器时，虽然可以简单地线性改变波导结构扫描总长度，来获得特定传输功率下所需的器件长度，但通过这种方式得到的器件长度会明显超出所需要的长度。现有关于绝热器件的设计都是基于方程组的解析求解，通常需要一些假设和近似，并且存在结构复杂、不易加工等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法，实现一个波导中光束功率部分或完全耦合到另一个波导，其结构简单、尺寸小、带宽大、易加工。这种紧凑的绝热模式转换器构成了光子集成回路系统的关键组件，在未来大规模光子集成芯片中具有重要的作用，以解决
技术介绍
中所提出的缺陷或问题。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术的实施例提供一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1：绝热模式转换器的分段：将绝热模式转换器分为结果对称的两部分，将这两部分再分别分为15个不同的片段进行仿真，通过FDTD仿真模拟，就可以得到确定各个片段所需要的参数；
[0007]步骤2：对于每个片段，由方程及FDTD仿真模拟参数来确定每一段的传播长度L；
[0008]步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L来构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状；
[0009]步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式转换器的传输曲线；
[0010]步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。
[0011]进一步的，所述绝热模式转换器包括波导A和波导B这两个波导且两者紧靠放置，波导A和波导B的高度均为h＝0.3μm，波导A和波导B的宽度分别标记为w1和w2，波导之间的间隙宽度标记为g，光学波长为1.55μm；波导A和波导B的宽度沿传播方向x逐渐变化，在转换器的一端(输入平面x＝x
I
＝0)，第一个宽度为w1的波导较窄，第二个宽度为w2的波导较宽；在另一端(输出平面x＝x
I
＝L)，第一个波导由窄变宽，第二个波导由宽变窄；在中心x＝x
C
＝L/
2处，两个波导的宽度变得相等。
[0012]优选的，绝热模式转换器的通用标准，表达式如下：
[0013][0014]其中，κ是转换器中波导A与波导B之间的耦合强度，ε是损耗百分比，γ＝δ/κ，其中，δ是独立非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数。
[0015]优选的，对于耦合波导系统，对于耦合波导系统，偶数本征模e
e
和奇数本征模式e
o
的传播常数分别为和其中λ是光波的波长，n
e
和n
o
分别是偶数本征模式和奇数本征模式的有效折射率；对于非耦合波导系统，偶数本征模e
e
和奇数本征模式e
o
的传播常数分别为和其中，n1和n2分别是偶数本征模式和奇数本征模式的有效折射率，所以非耦合波导模式传播常数之间的不匹配系数表达式为非耦合波导系统中，将第二个波导直接连接到边界上，从而将第二个波导中的能量导出边界外；
[0016]由此，绝热模式转换器中波导A与波导B之间的耦合强度为并且，γ定义为γ＝δ/κ。
[0017]优选的，在步骤2中，对于步骤(1)中的每个片段，通过使用方程(1)来确定每一段的长度，在方程(1)中取等号，即
[0018][0019]由方程(2)可以得到
[0020][0021]其中，
[0022][0023][0024]通过步骤1中的FDTD仿真模拟参数，由方程(3)就可以得到各个片段的长度。
[0025]本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术提出了一种绝热模式转换器的新数值设计方法，设计简单，并且设计出的器件尺寸小、结构简单、带宽大、易加工。本专利技术对绝热模式耦合器进行分段后，通过使用方程来确定每一个片段的长度。确定每一个片段的长度时，在非耦合波导系统中的参数计算中，不是简单的将第二个波导去掉，而是将第二个
波导直接连接到边界上，从而将第二个波导中的能量导出边界外，实现绝热模式转换器的更佳设计。
附图说明
[0026]图1为本专利技术中耦合波导系统的系统图；图1(a)为绝热模式转换器横截面；图1(b)绝热模式转换器的俯视图，其中列出了输入平面、相位匹配平面以及输出平面上的局部模式e
e
和e
o
的模式轮廓图。
[0027]图2为本专利技术中传统非耦合波导系统的系统图；图2(a)为绝热模式转换器的横截面；(b)为绝热模式转换器的俯视图。
[0028]图3为本专利技术中步骤(2)中获得个片段长度的非耦合波导系统图；图3(a)为该非耦合波导的横截面；图3(b)为该非耦合波导的俯视图。
[0029]图4为本专利技术的设计方法所设计的转换器几何形状。
[0030]图5为本专利技术实施例得到的完整器件的功率传输曲线与传统方法以及直线连接情况下的功率传输曲线的对比图。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0032]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0034]本专利技术通过使用在绝缘体上硅薄膜衬底上的硅波导板上制成的绝热模式转换器来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：绝热模式转换器的分段：将绝热模式转换器分为对称的两部分，将这两部分再分别分为15个不同的片段进行仿真，通过FDTD仿真模拟，就可以得到确定各个片段所需要的参数；步骤2：对于每个片段，由方程及FDTD仿真模拟参数来确定每一段的传播长度L；步骤3：使用步骤2中得到的传播长度L来构造各自的区域，然后将所有片段拼接在一起形成完整的波导形状；步骤4：扫描总长度，以获得完整绝热模式转换器的传输曲线；步骤5：根据应用需求，选择要使用的器件长度。2.根据权利要求1所述的一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法，其特征在于，所述绝热模式转换器包括波导A和波导B这两个波导且两者紧靠放置，波导A和波导B的高度均为h＝0.3μm，波导A和波导B的宽度分别标记为w1和w2，波导之间的间隙宽度标记为g，光学波长为1.55μm；波导A和波导B的宽度沿传播方向x逐渐变化，在转换器的一端(输入平面x＝x
I
＝0)，第一个宽度为w1的波导较窄，第二个宽度为w2的波导较宽；在另一端(输出平面x＝x
I
＝L)，第一个波导由窄变宽，第二个波导由宽变窄；在中心x＝x
C
＝L/2处，波导A和波导B的宽度变得相等。3.根据权利要求2所述的一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁图禄，荣巍巍，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：