專利名稱：硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，尤其是涉及ー種基于逐步近似法的TE模式的硅基微環(huán)諧振器耦合損耗的計算方法。
背景技術(shù)：
在過去的幾十年，光子器件，例如波分復用器、光調(diào)制器和片上網(wǎng)絡(luò)光互聯(lián)，已經(jīng)廣泛的應用在大規(guī)模光子集成系統(tǒng)中。而這些光子器件已經(jīng)逐漸用硅基微環(huán)諧振器來實現(xiàn)，因為其具有高折射率對比度和兼容于CMOSエ藝的優(yōu)點，硅基微環(huán)諧振器可以實現(xiàn)微米量級的尺寸，推動了高度集成光子芯片的發(fā)展。在硅基超緊湊型微環(huán)諧振器中，光波導的橫截面尺寸最小為220nmX445nm，可以實現(xiàn)單模傳輸。在微環(huán)諧振器中，包含兩種類型的光波導，一種是直線型光波導，另ー種是 環(huán)形光波導。直線型波導和環(huán)形波導，通過耦合間隙耦合在一起。當基模光信號，沿直線型波導傳輸?shù)今詈蠀^(qū)域時，根據(jù)光信號的耦合原理，一部分光信號會穿過耦合間隙進入環(huán)形波導之中。而另一部分會沿著直線型波導繼續(xù)傳播。在這個過程中，盡管光波會從直波導耦合到環(huán)形波導中，但由于耦合間隙沿直線型波導方向的不均勻性，在耦合區(qū)域會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，從基模轉(zhuǎn)換成高階模式。根據(jù)超緊湊型波導的單模傳輸特性，高階模式在波導中是截止的。因此，耦合到高階模式的光能量就會損失到波導之外，造成損耗。也就是，因為在率禹和區(qū)域存在模式轉(zhuǎn)換效應，產(chǎn)生了ー種額外的光學損耗，稱之為稱合損耗(參見文獻[I」 Y. A. Vlasov and b. J. McNab, "Losses in single-mode silicon-on-insulatorstrip waveguides and bends, Optics Express ； [2] F. N. Xia, L. Sekaric, and Y.A. Vlasov, "Mode conversion losses in siIicon-on-insulator photonic wire basedracetrack resonators, Optics. Express ； [3] A. M. Prabhu, A. Tsay, Z. H. Han,and V. Van, "Ultracompact SOI Microring Add-Drop Filter With Wide Bandwidth andWide FSR，〃 IEEE)。在文獻(A.M. Prabhu, A. Tsay, Z. H. Han, and V. Van, "ExtremeMiniaturization of Silicon Add-Drop Microring Filters for VLSI PhotonicsApplications, 〃 IEEE)中，指出對于超緊湊型微環(huán)諧振器中的f禹合損耗已經(jīng)占光子集成系統(tǒng)總損耗的重要部分。在光子集成系統(tǒng)中，低損耗是研究學者一直追求的目標，因為低損耗不但可以降低系統(tǒng)能耗，還可以使系統(tǒng)的產(chǎn)熱大大減少。但是，直到現(xiàn)在，仍沒有通過理論表達式來計算微環(huán)諧振器中的耦合損耗的報道。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前沒有針對硅基微環(huán)諧振器的耦合損耗計算方法的問題，本發(fā)明提供ー種硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法。本發(fā)明的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，首先利用逐步近似方法，將微環(huán)諧振器的環(huán)形波導近似為多個相互平行的直線型波導組；然后，利用波導方程和TE模式的邊界條件，對波導組分別計算光波在其中的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)和透射系數(shù)，計算在每個波導組由于模式轉(zhuǎn)換效應造成的能量損耗；最終，整個耦合區(qū)域的耦合損耗就是每個波導組能量損耗的總和。具體步驟如下
A、在娃基超緊湊型微環(huán)諧振器中，光波導的橫截面尺寸最小可以實現(xiàn)220nmX445nm,光波長為I. 55 I. 70 μ m，因為TE模式在這樣的波導內(nèi)滿足單模傳輸，尺寸緊湊，環(huán)形波導的彎曲半徑可以小于5 μ m。B、微環(huán)諧振器的環(huán)形波導的彎曲半徑記為ガ。對環(huán)形波導利用逐步近似方法，將其分解為相互平行的矩形波導組，用相互平行的波導代替環(huán)形波導。C、TE模的ー階導波和ニ階的非導波模式的電場分布可以表示為
權(quán)利要求
1.硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述計算方法如下 首先，利用逐步近似方法，將微環(huán)諧振器的環(huán)形波導近似為多個相互平行的直線型波導組； 然后，利用波導方程和TE模式的邊界條件，對波導組分別計算光波在其中的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)和透射系數(shù)，計算在每個波導組由于模式轉(zhuǎn)換效應造成的能量損耗； 最終，整個耦合區(qū)域的耦合損耗就是每個波導組能量損耗的總和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述微環(huán)諧振器為娃基超緊湊型微環(huán)諧振器，光波導的橫截面尺寸最小為220nmX445nm,光波長為 I. 55 I. 70 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述環(huán)形波導的彎曲半徑/ 小于5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述逐步近似方法為將微環(huán)諧振器分成同樣的四部分，每小部分的直波導長度為ん在直波導上取#個節(jié)點，對環(huán)形波導進行切割，對切割的環(huán)形波導用直波導代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述代替方法為對應的環(huán)形波導長度和直波導相同，寬度按切割后的環(huán)形波導最小寬度計算，他們之間的耦合寬度按分解后的小環(huán)形波導的最小耦合間隙計算，基于逐步近似法，這部分微環(huán)諧振器由#+1組相互平行的波導組進行近似。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述TE模的ー階導波和ニ階的非導波模式的電場分布表不為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述TE模式的邊界條件是電場的ァ方向分量&和磁場的ァ方向分量'在每個波導組的交界處連續(xù)，表達式如下
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述模式轉(zhuǎn)換系數(shù)ら；的表達式如下
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，其特征在于所述整個耦合區(qū)域的耦合損耗比例為
全文摘要
硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，涉及一種基于逐步近似法的TE模式的硅基微環(huán)諧振器耦合損耗的計算方法。鑒于目前沒有針對硅基微環(huán)諧振器的耦合損耗計算方法的問題，本發(fā)明的硅基微環(huán)諧振器中耦合損耗的計算方法，首先利用逐步近似方法，將微環(huán)諧振器的環(huán)形波導近似為多個相互平行的直線型波導組；然后，利用波導方程和TE模式的邊界條件，對波導組分別計算光波在其中的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)和透射系數(shù)，計算在每個波導組由于模式轉(zhuǎn)換效應造成的能量損耗；最終，整個耦合區(qū)域的耦合損耗就是每個波導組能量損耗的總和。本發(fā)明的耦合損耗計算方法，填補了計算耦合損耗的理論方法的空白。本發(fā)明方法用MATLAB即可實現(xiàn)，計算時間快。
文檔編號G02F3/00GK102692784SQ20121020410
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者劉建軍, 左寶君, 胡海力, 范志剛, 陳守謙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學