[发明专利]硅基微环谐振器中耦合损耗的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基微环谐振器中耦合损耗的计算方法，尤其是涉及一种基于逐步近似法的TE模式的硅基微环谐振器耦合损耗的计算方法。 

背景技术

在过去的几十年，光子器件，例如波分复用器、光调制器和片上网络光互联，已经广泛的应用在大规模光子集成系统中。而这些光子器件已经逐渐用硅基微环谐振器来实现，因为其具有高折射率对比度和兼容于CMOS工艺的优点，硅基微环谐振器可以实现微米量级的尺寸，推动了高度集成光子芯片的发展。 

在硅基超紧凑型微环谐振器中，光波导的横截面尺寸最小为220nm×445nm，可以实现单模传输。在微环谐振器中，包含两种类型的光波导，一种是直线型光波导，另一种是环形光波导。直线型波导和环形波导，通过耦合间隙耦合在一起。当基模光信号，沿直线型波导传输到耦合区域时，根据光信号的耦合原理，一部分光信号会穿过耦合间隙进入环形波导之中。而另一部分会沿着直线型波导继续传播。在这个过程中，尽管光波会从直波导耦合到环形波导中，但由于耦合间隙沿直线型波导方向的不均匀性，在耦合区域会发生模式转换，从基模转换成高阶模式。根据超紧凑型波导的单模传输特性，高阶模式在波导中是截止的。因此，耦合到高阶模式的光能量就会损失到波导之外，造成损耗。也就是，因为在耦和区域存在模式转换效应，产生了一种额外的光学损耗，称之为耦合损耗（参见文献：[1] Y. A. Vlasov and S. J. McNab, Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends, Optics Express；[2] F. N. Xia, L. Sekaric, and Y. A. Vlasov, Mode conversion losses in silicon-on-insulator photonic wire based racetrack resonators, Optics. Express；[3] A. M. Prabhu, A. Tsay, Z. H. Han, and V. Van, Ultracompact SOI Microring Add-Drop Filter With Wide Bandwidth and Wide FSR, IEEE）。 

在文献（A. M. Prabhu, A. Tsay, Z. H. Han, and V. Van, Extreme Miniaturization of Silicon Add-Drop Microring Filters for VLSI Photonics Applications, IEEE）中，指出对于超紧凑型微环谐振器中的耦合损耗已经占光子集成系统总损耗的重要部分。在光子集成系统中，低损耗是研究学者一直追求的目标，因为低损耗不但可以降低系统能耗，还可以使系统的产热大大减少。但是，直到现在，仍没有通过理论表达式来计算微环谐振器中的耦合损耗的报道。 

发明内容

鉴于目前没有针对硅基微环谐振器的耦合损耗计算方法的问题，本发明提供一种硅基微环谐振器中耦合损耗的计算方法。 

本发明的硅基微环谐振器中耦合损耗的计算方法，首先利用逐步近似方法，将微环谐振器的环形波导近似为多个相互平行的直线型波导组；然后，利用波导方程和TE模式的边界条件，对波导组分别计算光波在其中的模式转换系数和透射系数，计算在每个波导组由于模式转换效应造成的能量损耗；最终，整个耦合区域的耦合损耗就是每个波导组能量损耗的总和。具体步骤如下： 

A、在硅基超紧凑型微环谐振器中，光波导的横截面尺寸最小可以实现220nm×445nm，光波长为1.55～1.70μm，因为TE模式在这样的波导内满足单模传输，尺寸紧凑，环形波导的弯曲半径可以小于5μm。

B、微环谐振器的环形波导的弯曲半径记为R。对环形波导利用逐步近似方法，将其分解为相互平行的矩形波导组，用相互平行的波导代替环形波导。 

C、TE模的一阶导波和二阶的非导波模式的电场分布可以表示为： 

。

其中，是z点处的振幅，可以记作E；代表相位；β是                                                  TE模式的传播常数；表示x分量的光场分布，可以记作。