纵向错位的定向耦合器及其设计方法与流程

本发明涉及光波导的，具体地，是一种纵向错位的定向耦合器以及这种定向耦合器的设计方法。

背景技术：

1、随着光通信技术的发展，分光器的应用越来越广泛。现有光子集成芯片中常用的分光器包括普通定向耦合器、多模干涉耦合器、非对称定向耦合器、绝热耦合器以及多段式波长平坦化耦合器等。普通定向耦合器结构简单、理论损耗较低，但其耦合系数和相位匹配条件随波长变化明显，导致输出分光比具有较强的波长依赖性，难以在较宽波段内保持稳定。多模干涉耦合器虽然能够在一定程度上改善波长敏感性，但其依赖多模干涉和自成像效应，器件尺寸、模式激发条件及工艺偏差均会影响输出特性，并可能引入较高的额外损耗。非对称定向耦合器通过设置不同宽度的波导来调节相位失配，从而改善宽带性能，但其有效折射率匹配条件对波导宽度、刻蚀深度、薄膜厚度等工艺误差较为敏感，制备偏差容易引起分光比漂移。

2、绝热耦合器和多段式波长平坦化耦合器具有更宽的工作带宽，逐渐受到青睐。绝热耦合器通过缓慢变化的波导宽度或间距实现模式的平滑演化，能够获得较宽的工作带宽，但为了满足绝热条件，通常需要毫米量级甚至更长的器件长度，增加了芯片面积、传播损耗和版图布线难度。多段式耦合器通常需要多个耦合区及额外的相位延迟区，通过不同耦合段之间的波长响应相互补偿实现分光比平坦化，但其结构复杂、设计参数较多，多个耦合段和相位延迟段的工艺误差也容易累积，降低器件一致性和成品率。

3、现有的宽带非均匀或非对称的耦合器多以3db分光，即分光比为50:50功率分配为主要目标。对于分光比为99:1、98:2、95:5等弱耦合的分光器，由于目标耦合功率较小，波长变化、波导尺寸偏差、间隙偏差以及输入/输出弯曲区域的残余耦合都会对最终分光比造成显著影响。因此，现有的耦合器仍难以在较小器件尺寸内同时实现宽带平坦的弱耦合分光比、较低额外损耗以及较高工艺容差。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是提供一种体积小且能够提升带宽的纵向错位的定向耦合器。

2、本发明的第二目的是提供上述的纵向错位的定向耦合器的设计方法。

3、为实现本发明的第一目的，本发明提供的纵向错位的定向耦合器包括衬底，衬底上设置有第一波导和第二波导；沿光信号传播方向，定向耦合器包括依次设置的输入s弯、输入错位区、耦合区、输出错位区和输出s弯；其中，第一波导和第二波导均为宽度渐变波导，沿光信号传播方向，第一波导与第二波导满足以下至少一项：第一波导的宽度渐变起始点不同于第二波导的宽度渐变起始点、第一波导的等效渐变中心不同于第二波导的等效渐变中心、第一波导的相位匹配位置不同于第二波导的相位匹配位置；第一波导在宽度渐变区内的宽度和第二波导在宽度渐变区内的宽度均基于预设函数设计，其中，预设函数为实现连续可导的非线性宽度变化、能对局部宽度变化率及曲率进行调节的函数。

4、由上述方案可见，本发明采用连续可导的非线性渐变函数构建模式演化单元，从而计算出第一波导和第二波导的宽度，使得第一波导和第二波导的宽度变化速率能够沿传播方向连续变化，超模传播常数演化更加平缓，从而降低模式转换损耗，提高宽带模式转换效率，能够在较小的尺寸下实现较宽频率的光信号传输要求。

5、一个优选的方案是，沿光信号传播方向，第一波导的宽度渐变起始点位于输入错位区的第一端，第二波导的宽度渐变起始点位于输入错位区的第二端。

6、进一步的，沿光信号传播方向，第一波导的宽度渐变终止点位于输出错位区的第一端，第二波导的宽度渐变终止点位于输出错位区的第二端。

7、由此可见，通过上述设置使得第一波导和第二波导的宽度渐变起始点、终止点在光信号传播方向上分别处于不同的位置，通过设置输入错位区的合适距离能够灵活调整第一波导和第二波导的纵向错位量，进而调整定向耦合器的耦合系数。

8、进一步的方案是，第一波导的宽度渐变终止点处的宽度与第一波导的宽度渐变终止点处的宽度相等。

9、通过上述设置，使得第一波导和第二波导能够更好的接入输出s弯，并使得传播常数演化更加平缓。

10、进一步的方案是，预设函数为贝塞尔函数或者三次平滑阶梯函数。

11、进一步的方案是，第一波导和第二波导在耦合区内相互平行设置。

12、进一步的方案是，输入s弯和输出s弯均采用绝热弯曲方式设计。通过这种方式，能够减少定向耦合器对温度变化的敏感度。

13、为实现上述的第二目的，本发明提供的定向耦合器的设计方法包括：设置位于衬底上的第一波导和第二波导，沿光信号传播方向，使定向耦合器包括依次设置的输入s弯、输入错位区、耦合区、输出错位区和输出s弯；其中，第一波导和第二波导均为宽度渐变波导；基于预设函数设计第一波导在宽度渐变区内的宽度和第二波导在宽度渐变区内的宽度，沿光信号传播方向，使第一波导与第二波导满足以下至少一项：第一波导的宽度渐变起始点不同于第二波导的宽度渐变起始点、第一波导的等效渐变中心不同于第二波导的等效渐变中心、第一波导的相位匹配位置不同于第二波导的相位匹配位置；其中，预设函数为实现连续可导的非线性宽度变化、能对局部宽度变化率及曲率进行调节的函数。

14、由上述方案可见，通过采用非线性模式演化单元控制超模传播常数沿传播方向的连续变化，例如，使用贝塞尔函数或者三次平滑阶梯函数作为预设函数计算波导的宽度，并且通过多个控制点调节波导宽度变化速率，实现模式演化速度的连续控制。

15、一个优选的方案是，基于预设函数设计第一波导在宽度渐变区内的宽度和第二波导在宽度渐变区内的宽度包括：基于预设函数设计第一波导和第二波导在宽度渐变区内的宽度、第一波导与第二波导之间的间距、预设函数控制点的位置、纵向错位量。

16、由此可见，通过设置两根波导的宽度、第一波导与第二波导之间的间距、预设函数控制点的位置、纵向错位量等参数来实现对耦合率的调整，从而设计出满足耦合器要求的耦合器。

17、更进一步的方案是，基于预设函数设计第一波导在宽度渐变区内的宽度和第二波导在宽度渐变区内的宽度包括：设定第一波导与第二波导的初始纵向错位量、宽度初始值、间距初始值和控制点的初始位置，并计算定向耦合器的有效折射率、耦合系数和局部相位失配系数，基于仿真结果对宽度初始值、间距初始值和控制点的初始位置、初始纵向错位量进行调整，获得最终的宽度、间距、控制点的位置和纵向错位量。

18、由此可见，应用各参数的初始值计算获得定向耦合器的有效折射率、耦合系数和局部相位失配系数后并进行仿真，通过仿真结果对各参数进行调整，进而获得各参数的最终数值。基于仿真结果能够实现各参数的准确调整，并且能够对调整的结果进行验证。

19、更进一步的方案是，控制点的数量为三个以上，多个控制点包括两个端部控制点和至少一个中间控制点；对控制点的初始位置进行调整时，首先固定端部控制点的位置，并对中间控制点的位置进行调整。

20、由此可见，通过固定端部控制点的位置，能够使得两根波导的宽度渐变起点和终点分别满足输入s弯、输出s弯或直波导的宽度连接要求，而对中间控制点的位置进行调整，又能够使超模传播常数差沿传播方向平滑变化，并使主要耦合贡献分布在预定的有效耦合区内。

21、更进一步的方案是，基于仿真结果对宽度初始值、间距初始值和控制点的初始位置、初始纵向错位量进行调整时，采用本征模展开法优化宽度初始值、间距初始值和控制点的初始位置、初始纵向错位量。

22、更进一步的方案是，基于仿真结果对宽度初始值、间距初始值和控制点的初始位置、初始纵向错位量进行调整后，还基于调整后的结果进行全波段的性能进行验证。

23、由此可见，通过全波段的性能能够验证当前设定的参数是否满足预先设定的性能要求，在不满足预先设定的性能要求的情况下还能够进一步对结构参数进行调整，以确保设计结果符合期望的要求。

24、更进一步的方案是，初始纵向错位量为耦合区长度的5%至30%。