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【Lumerical系列】無(wú)源器件-復(fù)用器件(3)丨模式(解)復(fù)用器
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本期是Lumerical系列中無(wú)源器件專(zhuān)題-復(fù)用器件的第三期,涉及的器件是模式(解)復(fù)用器,該器件基于逆向設(shè)計(jì),采用的是DBS算法進(jìn)行優(yōu)化。本文將從該器件的研究背景進(jìn)行介紹,然后給出所設(shè)計(jì)器件的初始結(jié)構(gòu)以及工作原理,提出了兩種子單元類(lèi)型的功能區(qū),包括圓形子單元和方形子單元,采用DBS算法對(duì)其功能區(qū)進(jìn)行優(yōu)化,最后將兩種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對(duì)比。
背景介紹
現(xiàn)有的硅基模式(解)復(fù)用器包含多種結(jié)構(gòu),按照其工作原理可分為模式耦合型和模式轉(zhuǎn)化型。其中模式耦合型的結(jié)構(gòu)包括非對(duì)稱(chēng)定向耦合器(ADC)、微環(huán)諧振器(MRR)以及光柵輔助耦合器(GACs)。這些結(jié)構(gòu)通常具有較小的尺寸以及低損耗的特性。ADC結(jié)構(gòu)可以通過(guò)級(jí)聯(lián)擴(kuò)展為多個(gè)模式,而MRR結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)模式和波長(zhǎng)的混合(解)復(fù)用。然而,這些基于模式耦合的結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的相位匹配條件,這會(huì)導(dǎo)致較窄的工作帶寬?;谀J睫D(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)包括絕熱耦合器(AC)、Y分支、多模干涉(MMI)耦合器等。這些結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的工作帶寬,大于50 nm,甚至高達(dá)100 nm。然而,這些結(jié)構(gòu)需要足夠的長(zhǎng)度來(lái)完成模式轉(zhuǎn)化,往往會(huì)導(dǎo)致較大的器件尺寸。最近,又興起一種基于逆向設(shè)計(jì)的模式(解)復(fù)用器,雖然已經(jīng)報(bào)道了多種基于逆向設(shè)計(jì)的高集成度模式(解)復(fù)用器,但為了進(jìn)一步減小器件的尺寸,本篇文章將逆向設(shè)計(jì)的功能單元與AC結(jié)構(gòu)相結(jié)合,增強(qiáng)了模式轉(zhuǎn)化的效率,可以顯著減小器件長(zhǎng)度。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理
所提出的硅基模式(解)復(fù)用器的示意圖在圖1中給出,其由三個(gè)部分組成:雙模輸入波導(dǎo)、中間功能區(qū)以及兩個(gè)單模輸出波導(dǎo)。中間功能區(qū)包括兩個(gè)錐形波導(dǎo)和一個(gè)位于它們之間的子單元陣列。通過(guò)中心子單元陣列的逆向設(shè)計(jì),可以大大增強(qiáng)兩個(gè)錐形波導(dǎo)之間的模式相互作用強(qiáng)度,從而減小器件長(zhǎng)度。
圖1 基于逆向設(shè)計(jì)的絕熱耦合器的模式(解)復(fù)用器示意圖
工作原理:以TE1和TE0模式為例,當(dāng)TE0模式從端口I輸入時(shí),它通過(guò)功能區(qū)中的下錐形波導(dǎo)演化為端口O2中的TE0模式,當(dāng)TE1模式從端口I輸入時(shí),由于波導(dǎo)寬度逐漸變窄,其模場(chǎng)分布在傳輸?shù)焦δ軈^(qū)中的下錐形波導(dǎo)時(shí)被壓縮,該模式會(huì)泄漏到子單元陣列區(qū)域中,并耦合到上錐形波導(dǎo)并轉(zhuǎn)化成端口O1中的TE0模式。
優(yōu)化算法過(guò)程

圖2 基于圓形子單元模式(解)復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖
FOM=Tport_O1-TE0/ Tport_I-TE1+ Tport_O2-TE0/ Tport_I-TE0
4. 重復(fù)多次迭代,直到FOM達(dá)到閾值或不再增加,獲得優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)。
結(jié)果與對(duì)比


其中,CTTE0和CTTE1分別是TE0和TE1模式的串?dāng)_;PO1和PO2分別是端口O1和O2的輸出功率。通過(guò)3D-FDTD方法計(jì)算不同波長(zhǎng)下模式解復(fù)用器的傳輸譜如圖5所示。結(jié)果表明,在1.5-1.6 μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi),輸入TE0模式的插入損耗和模式串?dāng)_分別小于0.33 dB和-15.53 dB;輸入TE1模式的插入損耗和串?dāng)_分別小于0.59 dB和-16.0 dB。


為了比較兩種結(jié)構(gòu)之間的差異,需保持兩種結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)相同。結(jié)果表明,對(duì)于方形子單元陣列,僅需一次迭代即可達(dá)到最佳FOM閾值。此時(shí),兩種模式的磁分量分布如圖7(a)和(b)所示。

基于方形子單元的模式解復(fù)用器的傳輸譜如圖8所示。結(jié)果表明,在1.5-1.65 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi),輸入TE1模式的插入損耗和串?dāng)_分別小于0.74 dB和-15.51 dB;輸入TE0模式的插入損耗和串?dāng)_分別小于1.83 dB和-9.42 dB。與圓形子單元陣列的結(jié)構(gòu)相比,盡管方形子單元陣列在容差和制造要求上有優(yōu)勢(shì),但圓形子單元陣列具有更小的插入損耗和模式串?dāng)_。

圖8 基于方形子單元的模式解復(fù)用器中TE0和TE1模式的傳輸譜
結(jié)論
參考文獻(xiàn):
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