光电工程师社区首页 ›光电资讯› 光电科普 › 查看内容

文章

SOI 1x4 MMI 耦合器优化设计

时间：2019-2-28 14:21作者：update 阅读(854) 评论: 5

导读：在这个案例中，将使用FimmProp和优化工具Kallistos优化1x4 MMI耦合器，这里将采用严格的全矢量3D工具进行仿真优化。

　　在这个案例中，将使用FimmProp和优化工具Kallistos优化1x4 MMI耦合器，这里将采用严格的全矢量3D工具进行仿真优化。

　　Kallistos可以结合FimmProp的仿真能力，快速扫描设计参数，允许在很短的时间内分析大量的结构：平均每秒能够分析8.3个设计。此案例是针对1x4 MMI耦合器的，但其设计方法同样适用于任意输入、输出结构。

　　图1 能量剖面图--优化之后的1x4 MMI耦合器

　　使用FIMMPROP建模MMI耦合器的好处

　　本征模展开法是建立MMI耦合器模型的理想方法。MMIs的物理特性是由少量导模之间的结构性干扰和破坏性干扰所引起的;正是这些干扰使MMIs能够输出多光束。EME是一种基于模式的方法，因此它提供了一种非常有效的对此类器件建模的方法。

　　EME在FIMMPROP中提供了一个最佳框架，其解决方案具有高效优化和完全矢量化的特性:

　　fimmprop可以用最少的计算量来模拟结构:只需要计算三组模态及其在两个节点处的迭代。

　　fimmprop将以完全矢量化的方式对结构进行建模，允许对采用SOI或其他高折射率对比技术设计的MMIs进行建模。

　　FIMMPROP可以高效的优化MMI耦合器:当优化器改变参数时，自动更新方案只会重新计算需要的参数。例如，中央部分的长度几乎可以在瞬间被扫描。优化器在优化的每个阶段都利用了这一点。

　　全双向算法将考虑所有内部反射，并允许在两个方向上同时模拟结构。

　　MMI的设计和参数化

　　使用埋层SOI波导几何形状，硅层厚度为220nm，波长是1.55um，硅的折射率是3.5，二氧化硅的折射率是1.44。

　　在FIMMPROP的界面中，使用三个变量来参数化结构:L_MMI和W_MMI来定义中央截面的长度和宽度，alpha_out来控制输出波导之间的间隙，该间隙表示为MMI宽度的一部分。

　　图2 初始结构及参数定义

　　下图是参数alpha_out为不同值时的结构图：alpha_out设置为0，则间隙为0，alpha_out设置为1，则间隙最大。

　　图3 不同alpha_out的结构变化

　　优化的评价函数

　　优化设计目标是提供低损耗，并在不同输出波导功率之间的低不平衡，因此要求Kallistos寻找最优的设计，如下式所示。

　　在优化器中设置W_MMI和alpha_out为变量。在优化的每个步骤中，让Kallistos运行一个Python脚本，该脚本扫描MMI耦合器的长度，并返回所选值W_MMI和alpha_out的最佳长度。优化器与脚本结合在一起的能力，使得Kallistos可以优化更复杂的结构。

　　由于FIMMPROP可以立即扫描一个区域的长度，所以这比把MMI长度放到优化器中更有效。

　　初步研究

　　（1）输入和输出波导的理想尺寸

　　利用FIMMWAVE的波导扫描器研究了波导宽度对一阶模有效折射率的影响，发现允许单模的最大宽度为420nm。如此小的波导宽度导致了巨大的插入损耗，所以对输入和输出波导使用更大的宽度。将使用锥形波导，以此改变波导宽度。

　　经过初步的研究，决定将输入和输出波导的宽度设置为1.5um，这样可以使插入损耗保持在0.1dB以下。

　　（2）输出波导之间的最小间隙

　　研究在两个输出波导之间需要多大的间隙来最小化交叉耦合:需要确保交叉耦合足够低，以允许引入绝热锥和波导的分离。

　　在这里，再次使用波导扫描器，扫描两个分支的结构，研究了间隙对耦合长度的影响。发现两个分支之间0.15um的间隙提供了1mm的耦合长度，假设这就足够了。从这个初步的研究中，在设计中确立了以下的约束条件：

　　优化器的性能

　　在8核Xeon E5620上，优化器每小时计算29次迭代;利用FMM求解器对模式进行了半解析计算。SOI波导具有高的折射率对比度，生成了高分辨率的模态剖面来精确计算迭代。

　　在优化器的每次迭代中，Kallistos运行一个脚本，该脚本控制一个FIMMPROP扫描器，该扫描器改变MMI耦合器的长度。脚本第一次扫描512个不同的长度，步长为100nm，确定了最佳长度；然后，它围绕最优值进行第二次更精细的扫描，以此优化结果。

　　结合优化器和脚本，可以在24小时内分析超过712,700个结构：平均每秒8.3个结构，这些全都是使用严格的3D全矢量方法进行计算的。

　　探索优化结果

　　Kallistos允许在优化过程中查看优化数据，可以暂停并重新启动优化器，以研究结果并决定是否进一步优化。

　　例如，可以看到在第一次运行之后的优化数据。数据以参数空间图上的计算点表示，沿水平轴以微米为单位绘制MMI W_MMI宽度，沿垂直轴绘制波导间距alpha_out宽度。

　　从下图中可以清楚地看出，可以将参数空间中感兴趣的区域缩小到用一条黑线划定的区域，其中最优结果似乎集中在这条黑线内。

　　图4 优化结果色彩图

　　下图是每个计算点单独显示；如图所示，优化器已经将其大部分工作集中在指定的地区。

　　图5 优化结果点阵图

　　优化器再运行一段时间，下图是最终得到的数据。

　　图6 最终优化结果色彩图和点阵图

　　下图中可以看到全局最优“A”在优化空间中的位置，位于最优区域的中心。具体参数显示在左侧；“fom”为评价函数值，“opt_len”为MMI的最佳长度(单位是微米)，“transmission”为耦合到四个输出波导的功率之和，“balance”为两个输出波导的功率分别除以平均输出功率之后的最大偏差。

　　设计“A”对应的最佳MMI长度是30.1um。由于Kallistos允许查看数据，并可以在后期处理所有优化数据，我们决定寻找最好的设计，使MMI长度保持在25um以下。得到的设计如下图所示，为设计“B”;这个结果几乎和设计“A”一样好，但总传输量下降了1%。

　　图7 A为全局最优，B为MMI长度小于25um的一种选择

　　Kallistos是一个完全透明的工具，可以检查与每个优化数据点关联的数据，允许浏览原始数据，以找到符合标准的结果。例如，全局最优可能位于高性能区域的边缘，但是您可以选择位于该区域中心附近的一个点作为最优设计，以便获得更好的制造公差。

　　图8 优化器中的原始数据

　　优化结构的性能

　　使用FIMMPROP来模拟，在Kallistos优化中找到最优设计。在设计A的强度剖面下可以看到，总损耗为0.060dB，输出波导之间的功率变化小于0.00003%，可以忽略不计。

　　图9 设计“A”的强度分布图

欢迎关注光研科技服务号

更多优秀内容请关注OECR公众号

鸡蛋

鲜花

握手

雷人

路过

收藏分享邀请

上一篇：激光能否挽救刘培强？从《流浪地球》中想到的光学技术下一篇：如何在ZEMAX中模拟偏振

你可能感兴趣的：

换一组

发表评论

文章

SOI 1x4 MMI 耦合器优化设计

最新评论

相关分类


热搜: 防雾膜棒料红外反射膜光电二极管镀膜机反射膜光谱仪光电探头真空镀银滤光片光器件应用光学 zemax激光远心镜头 sio2 增透膜离子源栅网 zemax 论文高反膜半反半透膜