本發(fā)明屬于集成光電子，具體涉及一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、光子集成芯片是現(xiàn)代光通信器件的核心元件，可將多個(gè)光子芯片集成到一個(gè)芯片上，從而實(shí)現(xiàn)多種功能的整合和協(xié)同。在未來大規(guī)模光子集成芯片中，使用高折射率對(duì)比度的硅絕緣體(silicon-on-insulator,soi)平臺(tái)上的硅光子光功率耦合器是光通信中大規(guī)模光子集成的理想候選器件，在論文k.solehmainen,m.kapulainen,m.harjanne,andt.aalto,“adiabatic?and?multimode?interference?couplers?on?silicon-on-insulator,”ieee?photon.technol.lett.,vol.18,no.21,pp.2287-2289,nov.2006.體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

2、偏振不敏感的耦合器是所光子集成芯片的基本組成部分之一，可以通過彎曲定向耦合器、亞波長光柵結(jié)構(gòu)和絕熱耦合器實(shí)現(xiàn)，其中絕熱耦合器是實(shí)現(xiàn)寬帶寬器件的首選方案，在論文s.zhao,j.chen,d.dai,and?y.shi,“polarization-insensitive?siliconoptic?switch?based?on?mode?manipulatedpower?splitters?andphase?shifters,”aplphoton.,vol.8,no.1,nov.2023.體現(xiàn)了這一點(diǎn)。傳統(tǒng)絕熱耦合器大多數(shù)采用線性方式進(jìn)行連接，需要非常大的器件尺寸，與光子集成芯片中朝更高集成度發(fā)展的方向(器件的小型化設(shè)計(jì))背道而馳。而在復(fù)雜的光子集成芯片中，每個(gè)元件都應(yīng)占用盡可能小的空間，以降低材料、加工和封裝成本。因此，需要提出能夠高效設(shè)計(jì)緊湊型絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本本發(fā)明的目的在于提供一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，旨在設(shè)計(jì)尺寸小、損耗低、傳輸效率高、結(jié)構(gòu)簡單的絕熱耦合器。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采取的技術(shù)方案如下：

3、一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟一、通過仿真模擬耦合波導(dǎo)系統(tǒng)和非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中本征模式有效折射率的計(jì)算；步驟二、計(jì)算|ne-no|-|n2-n1|的值；步驟三、非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中本征模式有效折射率的修正；步驟四、采用六次函數(shù)對(duì)n1和n2的進(jìn)行曲線擬合；步驟五、傳播常數(shù)β的計(jì)算；步驟六、第一硅芯和第二硅芯之間的耦合強(qiáng)度κ的計(jì)算；步驟七、片段長度計(jì)算；步驟八、功率傳輸效率的計(jì)算以及最終器件長度的確定。

4、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟一的具體步驟包括：依次改變第一硅芯和第二硅芯的波導(dǎo)寬度，以第二硅芯的波導(dǎo)寬度w作為橫坐標(biāo)，通過fdtd模擬獲得耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的有效折射率ne和no，以及非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的有效折射率n1和n2。

5、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟二中的|ne-no|-|n2-n1|的值應(yīng)大于0。

6、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，設(shè)ne-n2＝n1-no，推導(dǎo)出

7、n2＝ne+no-n1?(1)

8、通過方程(1)對(duì)n2進(jìn)行修正。

9、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟四中，采用六次函數(shù)對(duì)n1和n2的曲線進(jìn)行曲線擬合，采用的六次函數(shù)為

10、y＝-4439x6+7996.8x5-4029.6x4-805.02x3+1416.8x2-463.45x+51.9?(2)

11、經(jīng)過六次函數(shù)修正之后的|ne-no|-|n2-n1|將與理論上的變化趨勢(shì)一致，符合設(shè)計(jì)要求。

12、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟五中，對(duì)于耦合波導(dǎo)系統(tǒng)，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)分別為和對(duì)于非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)分別為和

13、耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)之差定義為

14、2s＝βe-βo????????????????????????????(3)

15、非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)的不匹配系數(shù)定義為

16、

17、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟六中，第一硅芯和第二硅芯之間的耦合強(qiáng)度κ、耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中傳播常數(shù)之差s、以及非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中傳播常數(shù)的不匹配系數(shù)δ之間的關(guān)系為

18、s2＝δ2+κ2????????????????????????????(5)

19、將方程(3)和方程(4)代入方程(5)中，得到耦合強(qiáng)度κ為

20、

21、方程(6)中，耦合強(qiáng)度κ>0，即|βe-βo|-|β2-β1|>0，也是|ne-no|-|n2-n1|>0的原理性分析；

22、對(duì)方程(6)左右兩邊同時(shí)開方，得到

23、

24、為了簡化方程，定義γ＝δ/κ，代入到方程(5)中，可以推導(dǎo)出

25、s2＝κ2(1+γ2)??????????????????????????????(8)。

26、進(jìn)一步的作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟七中，設(shè)光束傳播方向?yàn)閦方向，為了在耦合器中實(shí)現(xiàn)絕熱模式演化傳輸，功率損耗不能大于值ε，耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中的絕熱準(zhǔn)則為

27、

28、公式(9)取功率損耗的最大值ε，即方程(9)取等號(hào)；

29、采用中心差分來代替對(duì)空間坐標(biāo)的微分

30、

31、將方程(10)代入方程(9)中，獲得

32、

33、其中κmid和γmid為中心平均值的定義，即

34、

35、方程(11)右邊定義了第i個(gè)片段的長度li＝zi+1-zi，因而從方程(11)中推導(dǎo)出li為：

36、

37、其中ε為常數(shù)，表示實(shí)際應(yīng)用中需要滿足的最大功率損耗值。

38、本發(fā)明所述的一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

39、(1)本發(fā)明的從理論上推導(dǎo)了一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的使用。

40、(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法在效率方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)線性連接方案。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)99％的傳輸效率時(shí)，本發(fā)明設(shè)計(jì)方法只需要45.895μm的長度，而傳統(tǒng)線性連接方案需要203μm的長度，所需要的長度是本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的4.4倍，本發(fā)明設(shè)計(jì)方法大幅度地減少了絕熱耦合器的器件尺寸，可以實(shí)現(xiàn)光子集成芯片中的小型化設(shè)計(jì)。

技術(shù)特征：

1.一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟一的具體步驟包括：依次改變第一硅芯和第二硅芯的波導(dǎo)寬度，以第二硅芯的波導(dǎo)寬度w作為橫坐標(biāo)，通過fdtd模擬獲得耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的有效折射率ne和no，以及非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的有效折射率n1和n2。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟二中的|ne-no|-|n2-n1|的值應(yīng)大于0。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，設(shè)ne-n2＝n1-no，推導(dǎo)出

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟四中，采用六次函數(shù)對(duì)n1和n2的曲線進(jìn)行曲線擬合，采用的六次函數(shù)為

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟五中，對(duì)于耦合波導(dǎo)系統(tǒng)，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)分別為和對(duì)于非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)，偶數(shù)本征模ee和奇數(shù)本征模式eo的傳播常數(shù)分別為和

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟六中，第一硅芯和第二硅芯之間的耦合強(qiáng)度κ、耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中傳播常數(shù)之差s、以及非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中傳播常數(shù)的不匹配系數(shù)δ之間的關(guān)系為

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟七中，設(shè)光束傳播方向?yàn)閦方向，為了在耦合器中實(shí)現(xiàn)絕熱模式演化傳輸，功率損耗不能大于值ε，耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中的絕熱準(zhǔn)則為

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于集成光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于六次函數(shù)擬合的絕熱耦合器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明包括以下步驟：步驟一、耦合波導(dǎo)系統(tǒng)和非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中本征模式有效折射率的計(jì)算；步驟二、計(jì)算|n<subgt;e</subgt;?n<subgt;o</subgt;|?|n<subgt;2</subgt;?n<subgt;1</subgt;|的值；步驟三、非耦合波導(dǎo)系統(tǒng)中本征模式有效折射率的修正；步驟四、采用六次函數(shù)對(duì)n<subgt;1</subgt;和n<subgt;2</subgt;的進(jìn)行曲線擬合；步驟五、傳播常數(shù)β的計(jì)算；步驟六、第一硅芯和第二硅芯之間的耦合強(qiáng)度κ的計(jì)算；步驟七、片段長度計(jì)算；步驟八、功率傳輸效率的計(jì)算以及最終器件長度的確定。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法大幅度地減少了絕熱耦合器的器件尺寸，可以實(shí)現(xiàn)光子集成芯片中的小型化設(shè)計(jì)。

技術(shù)研發(fā)人員：梁圖祿,王白羽,肖子曄,徐志超,時(shí)碩,李俊賢,何雨墨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26