紧凑型高效率的模斑变换器及其设计方法

摘要

本发明一种紧凑型高效率的模斑变换器及其设计方法。通过将一个长度为L的线性锥形变换结构先分成较少的等间隔的段数，然后使用逐步优化而不是传统的遗传算法来优化每一段的宽度，接着在较少分段的优化基础上进一步分成更多的段数继续优化，直到得到很高的转换效率，这种优化方法的效率相对传统的遗传算法要大大提高。本发明将传统的线性锥形变换结构，在同等转换效率下，可以将现有转换器的长度150μm大大减小到20μm，进一步了提高芯片的集成度。

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电集成芯片制造技术领域，尤其涉及到一种模斑变 换器及其设计方法。

背景技术

随着全球光通信技术的飞速发展，光信号处理集成芯片越来越得到人们 的重视。很多微纳集成器件，例如微环滤波器、阵列波导光栅以及调制器等 等，都已经在绝缘体上硅(SOI)上实现了。为了将通信链路中的光信号有效地 耦合进集成芯片中，人们提出了利用光栅耦合器来实现光信号的耦合。

但是遗憾的是，为了与单模光纤进行匹配，光栅波导的宽度需要很宽(一 般在12μm左右)，这就会与后续的单模波导(宽度一般为0.5μm)产生模 式失配。为了减小两者的模式失配，通常利用线性锥形变换结构来实现模式 转换，但是要实现较高的转换效率(95％以上)，锥形结构的长度需要非常的 长(一般需要150μm以上)，这对芯片的集成是非常不利的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑型高效率的模斑变换器及其 设计方法，它克服传统线性锥形变换结构长度长的缺点。

为解决上述技术问题，本发明提出了紧凑型高效率的模斑变换器的设计 方法，

先将长度L的线性锥形变换结构先分成等间隔的n段连续波导，n为大于 1的自然数，设第j段波导的两端宽度分别为w_j和w_j+1，j取值从1至n；其中 w₁为输入波导的宽度，w_n+1为转换后输出波导的宽度；然后先优化w₂的值，得 到转换效率最高时w₂的值，然后在w₂的基础上对w₃进行优化，得到转换效率 最高时w₃的值，以此类推得到后续的波导宽度，直到得到w_n，由此得到分别 以w₁、w₂、w₃、…、w_n和w_n+1为波导宽度的n段连续变换波导结构，即为所需 模斑变换器。

进一步优化的技术方案是，对上述模斑变换器重新从w₂开始进行新一轮 的优化，直到转换效率的提高小于设定阈值时，认为在该分段数下，优化到 最佳，得到所需模斑变换器。

更进一步的优化技术方案是，对上述n段波导的每一段分别再作m等分,m 为大于1的自然数；然后按照上述优化方法继续优化。直到分成N1段和N2 段时(N1>N2)效率的提高小于设定阈值时，认为得到了最优的模斑变换器。

更加优选的技术方案是，所述各分段波导在同一轴心线上。

通过上述方法可得到一种紧凑型高效率的模斑变换器，它包括若干段连 续波导，第j段波导的两端宽度分别为w_j和w_j+1，w_j+1是在w_j的基础上优化得 到的，且所述各分段波导为等腰梯形。

本发明得到的模斑变换器，在很小的波导长度条件下，实现高效的模斑 转换，适于绝缘体上硅(SOI)的应用。同时，本发明的优化方法，利用先分少 段逐步优化，然后再进一步分多段优化的方法，优化效率相对传统的遗传算 法大大提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1所示为本发明提出的紧凑型高效率的模斑变换器结构原理示意图。

图2所示为传统的线性锥形变换结构。

图3(a)所示为与本发明提出的紧凑型高效率的模斑变换器相同长度 的线性锥形变换结构的光场分布。

图3(b)所示为本发明提出的紧凑型高效率的模斑变换器的光场分布。

图4所示为本发明具体实施时的转换损耗谱线(实线)以及相同长度 的线性锥形变换结构的转换损耗谱线(虚线)。

具体实施方式

如图1所示的本发明的紧凑型高效率的模斑变换器结构示意图。

本发明的关键在于利用通过将一个长度为L的线性锥形变换结构先等 间隔地分成较少的段数，然后使用逐步优化而不是传统的遗传算法来优化 每一段的宽度，接着在较少分段的优化基础上进一步分成更多的段数继续 优化，直到得到很高的转换效率，这种优化方法的效率相对传统的遗传算 法要大大提高。具体方法为：

将长度L的线性锥形变换结构分成等间隔的n段，取n＝10，L为所 需的模斑变换器的目标长度，取L＝20μm，n段连续波导的宽度分别为w₁、 w₂、w₃、…、w_n和w_n+1，其中w₁为输入波导的宽度，w_n+1为转换后输出波导的宽 度，取w₁＝12μm，w_n+1＝0.5μm。然后先对w₂进行优化，得到转换效率 最高时w₂的值，然后以此类推优化，得到后续的w₃、w₄宽度，直到优化 到w_n，由此得到分别以w₁、w₂、w₃、…、w_n和w_n+1为波导宽度的n段连续变换 波导结构，即为所需模斑变换器。

在上述模斑变换器波导结构的基础上，重新从w₂开始进行新一轮的优 化，直到转换效率的提高小于1％时，可认为优化到理想的模斑变换器结 构。

更加进一步的方案是，在上述理想的模斑变换器结构的基础上，进一 步将结构分成更多的段数进行优化。即，将上述10段的每一段均分2份， 即n＝20，然后继续按照之前的优化方法继续优化。直到分成N1段和N2 段时(N1>N2)效率的提高小于1％，认为得到了最优结构。本实施例中， 对于L＝20μm的模斑转换器，从n＝10优化，到n＝40时即得到了最优的 结构，转换效率为95％。相同长度(20微米)线性锥形变换结构的场强分 布如图3(a)所示，分段优化后的紧凑型高效率的模斑变换器的场强分布 如图3(b)所示，可见通过分段优化的方法后，光的散射损耗明显降低了。

图4所示为本发明具体实施时的转换损耗谱线(实线)以及相同长度 的线性锥形变换结构的转换损耗谱线(虚线)，可见通过分段优化的方法 后，模斑转换损耗减小了4.8dB。

对比图2，本发明将传统的线性锥形变换结构，在同等转换效率下， 可以将转换器的长度从图2中的L’＝150μm大大减小到图1中L＝20μm， 进一步了提高芯片的集成度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。