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【摘要】本文以一種典型的分光比可調分光器教學為例，從理論計算、仿真設計以及結構優化三方面對相關教學環節和步驟進行了詳細的介紹。該分光器采用硅基片上多模干涉儀結構，理論計算部分重點介紹了多模干涉儀的原理，并利用該原理實現器件結構的初步計算；仿真環節采用Lumerical仿真軟件，包含軟件操作基本流程和器件初步仿真以及優化，最終實現分光比可調分光器
【關鍵詞】分光器;硅基光子學;教學模式
一、概述
分光器是集成光學系統中的關鍵器件，而多模干涉儀（Multimodeinterferometer,MMI）因其緊湊的結構、簡單的制作工藝、較大的工藝容差等優點，成為了分光器的首選器件[1-2]。作為集成光學系統中的基本器件，非常有必要設置以分光器設計為目標的教學實驗課程。本文將從基本原理、設計步驟和優化過程等方面對分光比可調分光器的實驗教學過程進行詳細介紹。
二、分光比可變分光器設計步驟
MMI的結構如圖1所示，分為單模波導區和多模波導區。光信號由單模波導區輸入或輸出，基本原理為多模波導的自映象效應。圖1中的MMI為N×M的分光器，為了降低課程難度，課堂教學中只設計1×2的MMI。在MMI的實際制作中，由于單模波導區波導寬度較窄，多模波導區寬度較寬，兩者在連接處線寬變化劇烈，容易出現波導斷裂的現象。所以通常在單模波導和多模波導之間會加入一段楔形波導區域。 1×2的MMI的設計步驟可以分為五步：第一步，根據波導理論和實際制作工藝限制，確定單模波導區寬度w、多模波導區寬度wm和波導厚度h。波導中存在的模式數量和波導的寬度有關，如果波導寬度太小，則沒有模式能夠在波導中穩定傳輸；如果波導寬度太大，則波導中的模式較多，器件尺寸較大，損耗也增大。所以在實際設計中w的取值在450-550nm之間,wm的取值一般在2~10μm之間。波導厚度是由現有商用化硅基芯片決定的，一般為220nm、250nm和340nm，在實驗課中建議設置為220nm或250nm。第二步：通過理論計算，確定多模波導區長度lm和輸出端單模波導的位置。①多模波導區長度lm=3Lπ/8，其中Lπ為多模波導區中基模和一階模的拍長：Lπ=π/(β0-β1)≈4nrW2/3λ0，nr為波導芯層的材料折射率，λ0為輸入光信號的波長，W為考慮古斯-漢森位移影響后波導的等效寬度：W≈wm+(λ0/π)(nc/nr)2σ,nc為波導包層的材料折射率，σ代表模式極化因子，對于TE模，σ=0；而對于TM模，σ=1。②輸出端的兩個單模波導對稱分布，單模波導中心與多模波導中心的距離為W/4。第三步：通過Lumerical仿真軟件，完成MMI初步仿真。軟件的操作過程可以分為繪制器件模型、添加仿真模塊和輸出仿真結果三個部分。在繪制器件模型部分需要繪制出一個1×2的MMI結構，可以采用由軟件給出的固定模型、添加常見模塊（如長方形、梯形等）繪制和腳本繪制三種不同的繪制方法，由于該實驗中需要優化錐形區域的長度和寬度，最終還需要實現不同分光比，所以應選擇腳本繪制的方法。在繪制完MMI結構后需要添加仿真模塊才能進行仿真計算，仿真模塊可以分為求解器和監視器。求解器用于選定仿真計算方法，監視器用于監控和輸出MMI中特定部分的光學、電學性質。軟件中的求解器可以分為三類：基模求解器、FDTD求解器和EME求解器，在該實驗中應選擇FDTD求解器。在該實驗中需要用到的監視器有時間監視器、頻域和功率監視器、模式展開監視器。時間監視器、頻域和功率監視器應設置在MMI的輸入端和兩個輸出端，時間監視器會顯示不同時刻MMI輸入端和輸出端的光信號電場強度，頻域和功率監視器會顯示仿真結束時刻MMI輸入端和輸出端的光信號電場、磁場等相關信息。模式展開監視器一般設置在MMI的其中一個輸出端上，用于計算MMI兩輸出端的輸出功率。由模式展開監視器可以繪制出MMI兩輸出端的信號曲線，并與輸入端信號曲線做比較，計算此時MMI的損耗和分光比。第四步：優化錐形區域長度l1、l2和寬度wl，減小分光器損耗。在這一步中需要用到Lumerical仿真軟件的掃描模塊，由于每次掃描只能改變一個參數值，所以實驗中首先掃描l1的長度，記錄不同l1情況下MMI的損耗，選擇損耗最低時l1的取值作為最優長度。之后采用相同的辦法依次掃描l2和wl，最終完成MMI的優化設計，使MMI的損耗最小。第五步：改變其中一個輸出端單模波導的位置，實現不同分光比。最后一步是實現分光比可調MMI的關鍵步驟，由理論推導可知，分光比為1:1的MMI兩輸出端是對稱分布的，單模波導中心與多模波導中心的距離為W/4。那么只需要改變MMI其中一個輸出端的位置，就能夠改變MMI兩輸出端的分光比。具體方法仍然是利用掃描模塊，得到不同輸出端位置情況下，MMI兩輸出端的分光比情況，實現分光比由1:1到1:100的變化。
三、總結
本文以典型的分光比可調分光器教學為例，詳細介紹了其在理論、仿真設計以及結構優化三方面的教學內容和注意事項。本文可為硅基光子學類課程的實驗設計提供相應的參考。
參考文獻
[1]賈曉玲.SOI-MMI光波導器件與光開關研究[D].中國科學院上海微系統與信息技術研究所,2005.
[2]向磊.基于Si基的MMI設計制作及其在全光信號處理中的應用[D].華中科技大學,2013.
作者:廖莎莎 李強 廖希 單位:重慶郵電大學通信與信息工程學院