本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。

引言

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建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。

本期文章參考文獻[1]設計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結構的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 （a）端面耦合器結構示意圖；（b）橫截面示意圖

如上圖所示，該端面耦合器包含3個  層，且硅波導采用倒錐形結構，用于將光場擴展成更大的波導模式，使其與光纖模式更兼容。此外，  層的有效折射率由亞波長光柵控制，即高折射率（  ）和低折射率（  ）材料的交替條帶。該器件的品質因數（FOM）是波導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。在此示例中，重點是優化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設計，使用本征模擴展（EME）方法，因為它允許在掃描器件長度或器件的任何部分時立即重新計算S矩陣結果，不需重復運行仿真。設計過程包括以下5個主要步驟：

1. 利用FDE對光纖位置進行優化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優化。加入基底，利用EME進行最終優化。S參數提?。哼\行以獲取作為波長函數的S參數并將結果導出到數據文件。緊湊模型創建：將S參數數據導入INTERCONNECT。

步驟1：利用FDE對光纖位置進行優化

將FDE求解器放置在SMF-28光纖和倒錐形波導相接的截面處，分別計算二者的橫截面模場分布。首先是計算SMF-28光纖，運行FDE并計算模式，右鍵單擊mode1以添加至全局卡組中，然后再運行FDE用于計算倒錐形波導截面的模式，選擇波導中的mode1，然后單擊特征模式分析窗口下的重疊分析標簽，選擇保存到全局卡組中的光纖模式并計算兩種模式之間的重疊積分。單擊優化位置以計算優化的光纖位置，從而實現最大的模式重疊，此時，兩模式的重疊達到93％，如圖2所示。

圖2 光纖模式和波導模式的重疊

步驟2：利用EME對無基底的錐形波導長度進行優化

EME求解器會將倒錐形波導劃分成多個單元，運行EME會計算所有模式在不同單元之間的重疊，當EME分析窗口彈出時，單擊“eme propagate”，傳播完成后就能從監視器中可視化場，如圖3所示。

圖3 倒錐形波導的電場圖

接下來開始優化倒錐形波導長度，將EME分析窗口的“propagation sweep”選項中的“group span 2”設置為10-2000 μm，共計100個點。傳輸完成后，單擊“visualize eme sweep”以查看波導的透過率，即abs(S21)^2，如圖4所示。結果顯示，當波導的長度為1500 μm時透過率最大，即達到了最大耦合。

圖4 無基底時倒錐形波導長度與透過率的關系圖

步驟3：利用EME對加入基底的錐形長度進行最終優化

在EME仿真中加入基底結構，然后采用與步驟2相同的方法在“propagation sweep”使用100個點對10-2000 μm進行掃描，其透過率如圖5所示。通過對比圖4可以發現透過率的峰值有所下降，原因在于硅基底的厚度會影響泄漏損耗，且長度越長其損耗越大，因此最佳錐形長度確認為1500 μm。

圖5 有基底時倒錐形波導長度與透過率的關系圖

步驟4：S參數提取

使用腳本掃描C波段的6種不同波長，每個波長S參數提取步驟：1)運行步驟3中的仿真文件；2)以1500 μm的最佳倒錐形長度運行emepropagate；3)最后將S參數結果保存為波長函數，格式應與INTERCONNECT兼容。

步驟5：緊湊模型創建

在INTERCONNECT中添加1個Optical N Port S-Parameter元件和1個Optical Network Analyzer元件，并將步驟4中保存的S參數數據加載到Optical N Port S-Parameter元件中，如圖6（a）所示。運行并查看光網絡分析儀的傳輸結果，結果如圖6（b）所示。這個基于MODE設計器件的緊湊模型可以用于INTERCONNECT電路級仿真。

圖6 生成端面耦合器的緊湊模型。（a）示意圖；（b）傳輸結果

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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-