本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設(shè)計(jì)端面耦合器，到參數(shù)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數(shù)在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個(gè)流程。集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創(chuàng)建耦合面，但其優(yōu)勢(shì)在于能提供較大的工作帶寬。本期文章參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于絕緣體上硅（SOI）結(jié)構(gòu)的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進(jìn)/出傳統(tǒng)SMF-28光纖，工作中心波長(zhǎng)為1550 nm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 （a）端面耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）橫截面示意圖如上圖所示，該端面耦合器包含3個(gè)Si3N4層，且硅波導(dǎo)采用倒錐形結(jié)構(gòu)，用于將光場(chǎng)擴(kuò)展成更大的波導(dǎo)模式，使其與光纖模式更兼容。此外，Si3N4層的有效折射率由亞波長(zhǎng)光柵控制，即高折射率（Si3N4）和低折射率（SiO2）材料的交替條帶。該器件的品質(zhì)因數(shù)（FOM）是波導(dǎo)模式和光纖模式之間的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函數(shù)。在此示例中，重點(diǎn)是優(yōu)化光纖位置和倒錐形波導(dǎo)的長(zhǎng)度。對(duì)于倒錐形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，使用本征模擴(kuò)展（EME）方法，因?yàn)樗试S在掃描器件長(zhǎng)度或器件的任何部分時(shí)立即重新計(jì)算S矩陣結(jié)果，不需重復(fù)運(yùn)行仿真。設(shè)計(jì)過程包括以下5個(gè)主要步驟：
1）利用FDE對(duì)光纖位置進(jìn)行優(yōu)化。
2）利用EME對(duì)無基底的倒錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。
3）加入基底，利用EME進(jìn)行最終優(yōu)化。
4）S參數(shù)提?。哼\(yùn)行以獲取作為波長(zhǎng)函數(shù)的S參數(shù)并將結(jié)果導(dǎo)出到數(shù)據(jù)文件。
5）緊湊模型創(chuàng)建：將S參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入INTERCONNECT。步驟1：利用FDE對(duì)光纖位置進(jìn)行優(yōu)化將FDE求解器放置在SMF-28光纖和倒錐形波導(dǎo)相接的截面處，分別計(jì)算二者的橫截面模場(chǎng)分布。首先是計(jì)算SMF-28光纖，運(yùn)行FDE并計(jì)算模式，右鍵單擊mode1以添加至全局卡組中，然后再運(yùn)行FDE用于計(jì)算倒錐形波導(dǎo)截面的模式，選擇波導(dǎo)中的mode1，然后單擊特征模式分析窗口下的重疊分析標(biāo)簽，選擇保存到全局卡組中的光纖模式并計(jì)算兩種模式之間的重疊積分。單擊優(yōu)化位置以計(jì)算優(yōu)化的光纖位置，從而實(shí)現(xiàn)最大的模式重疊，此時(shí)，兩模式的重疊達(dá)到93％，如圖2所示。步驟2：利用EME對(duì)無基底的錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化EME求解器會(huì)將倒錐形波導(dǎo)劃分成多個(gè)單元，運(yùn)行EME會(huì)計(jì)算所有模式在不同單元之間的重疊，當(dāng)EME分析窗口彈出時(shí)，單擊“eme propagate”，傳播完成后就能從監(jiān)視器中可視化場(chǎng)，如圖3所示。接下來開始優(yōu)化倒錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度，將EME分析窗口的“propagation sweep”選項(xiàng)中的“group span 2”設(shè)置為10-2000 μm，共計(jì)100個(gè)點(diǎn)。傳輸完成后，單擊“visualize eme sweep”以查看波導(dǎo)的透過率，即abs(S21)^2，如圖4所示。結(jié)果顯示，當(dāng)波導(dǎo)的長(zhǎng)度為1500 μm時(shí)透過率最大，即達(dá)到了最大耦合。圖4 無基底時(shí)倒錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度與透過率的關(guān)系圖步驟3：利用EME對(duì)加入基底的錐形長(zhǎng)度進(jìn)行最終優(yōu)化在EME仿真中加入基底結(jié)構(gòu)，然后采用與步驟2相同的方法在“propagation sweep”使用100個(gè)點(diǎn)對(duì)10-2000 μm進(jìn)行掃描，其透過率如圖5所示。通過對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn)透過率的峰值有所下降，原因在于硅基底的厚度會(huì)影響泄漏損耗，且長(zhǎng)度越長(zhǎng)其損耗越大，因此最佳錐形長(zhǎng)度確認(rèn)為1500 μm。圖5 有基底時(shí)倒錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度與透過率的關(guān)系圖使用腳本掃描C波段的6種不同波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)S參數(shù)提取步驟：
2)以1500 μm的最佳倒錐形長(zhǎng)度運(yùn)行emepropagate；3)最后將S參數(shù)結(jié)果保存為波長(zhǎng)函數(shù)，格式應(yīng)與INTERCONNECT兼容。在INTERCONNECT中添加1個(gè)Optical N Port S-Parameter元件和1個(gè)Optical Network Analyzer元件，并將步驟4中保存的S參數(shù)數(shù)據(jù)加載到Optical N Port S-Parameter元件中，如圖6（a）所示。運(yùn)行并查看光網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸結(jié)果，結(jié)果如圖6（b）所示。這個(gè)基于MODE設(shè)計(jì)器件的緊湊模型可以用于INTERCONNECT電路級(jí)仿真。圖6 生成端面耦合器的緊湊模型。（a）示意圖；（b）傳輸結(jié)果
參考：
[1] Papes M, Cheben P, Benedikovic D, et al. Fiber-chip edge coupler with large mode size for silicon photonic wire waveguides[J]. Optics express, 2016, 24(5): 5026-5038.[2] https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042305354-Edge-coupler
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