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【摘要】本文以一种典型的分光比可调分光器教学为例，从理论计算、仿真设计以及结构优化三方面对相关教学环节和步骤进行了详细的介绍。该分光器采用硅基片上多模干涉仪结构，理论计算部分重点介绍了多模干涉仪的原理，并利用该原理实现器件结构的初步计算；仿真环节采用Lumerical仿真软件，包含软件操作基本流程和器件初步仿真以及优化，最终实现分光比可调分光器
【关键词】分光器;硅基光子学;教学模式
一、概述
分光器是集成光学系统中的关键器件，而多模干涉仪（Multimodeinterferometer,MMI）因其紧凑的结构、简单的制作工艺、较大的工艺容差等优点，成为了分光器的首选器件[1-2]。作为集成光学系统中的基本器件，非常有必要设置以分光器设计为目标的教学实验课程。本文将从基本原理、设计步骤和优化过程等方面对分光比可调分光器的实验教学过程进行详细介绍。
二、分光比可变分光器设计步骤
MMI的结构如图1所示，分为单模波导区和多模波导区。光信号由单模波导区输入或输出，基本原理为多模波导的自映象效应。图1中的MMI为N×M的分光器，为了降低课程难度，课堂教学中只设计1×2的MMI。在MMI的实际制作中，由于单模波导区波导宽度较窄，多模波导区宽度较宽，两者在连接处线宽变化剧烈，容易出现波导断裂的现象。所以通常在单模波导和多模波导之间会加入一段楔形波导区域。 1×2的MMI的设计步骤可以分为五步：第一步，根据波导理论和实际制作工艺限制，确定单模波导区宽度w、多模波导区宽度wm和波导厚度h。波导中存在的模式数量和波导的宽度有关，如果波导宽度太小，则没有模式能够在波导中稳定传输；如果波导宽度太大，则波导中的模式较多，器件尺寸较大，损耗也增大。所以在实际设计中w的取值在450-550nm之间,wm的取值一般在2~10μm之间。波导厚度是由现有商用化硅基芯片决定的，一般为220nm、250nm和340nm，在实验课中建议设置为220nm或250nm。第二步：通过理论计算，确定多模波导区长度lm和输出端单模波导的位置。①多模波导区长度lm=3Lπ/8，其中Lπ为多模波导区中基模和一阶模的拍长：Lπ=π/(β0-β1)≈4nrW2/3λ0，nr为波导芯层的材料折射率，λ0为输入光信号的波长，W为考虑古斯-汉森位移影响后波导的等效宽度：W≈wm+(λ0/π)(nc/nr)2σ,nc为波导包层的材料折射率，σ代表模式极化因子，对于TE模，σ=0；而对于TM模，σ=1。②输出端的两个单模波导对称分布，单模波导中心与多模波导中心的距离为W/4。第三步：通过Lumerical仿真软件，完成MMI初步仿真。软件的操作过程可以分为绘制器件模型、添加仿真模块和输出仿真结果三个部分。在绘制器件模型部分需要绘制出一个1×2的MMI结构，可以采用由软件给出的固定模型、添加常见模块（如长方形、梯形等）绘制和脚本绘制三种不同的绘制方法，由于该实验中需要优化锥形区域的长度和宽度，最终还需要实现不同分光比，所以应选择脚本绘制的方法。在绘制完MMI结构后需要添加仿真模块才能进行仿真计算，仿真模块可以分为求解器和监视器。求解器用于选定仿真计算方法，监视器用于监控和输出MMI中特定部分的光学、电学性质。软件中的求解器可以分为三类：基模求解器、FDTD求解器和EME求解器，在该实验中应选择FDTD求解器。在该实验中需要用到的监视器有时间监视器、频域和功率监视器、模式展开监视器。时间监视器、频域和功率监视器应设置在MMI的输入端和两个输出端，时间监视器会显示不同时刻MMI输入端和输出端的光信号电场强度，频域和功率监视器会显示仿真结束时刻MMI输入端和输出端的光信号电场、磁场等相关信息。模式展开监视器一般设置在MMI的其中一个输出端上，用于计算MMI两输出端的输出功率。由模式展开监视器可以绘制出MMI两输出端的信号曲线，并与输入端信号曲线做比较，计算此时MMI的损耗和分光比。第四步：优化锥形区域长度l1、l2和宽度wl，减小分光器损耗。在这一步中需要用到Lumerical仿真软件的扫描模块，由于每次扫描只能改变一个参数值，所以实验中首先扫描l1的长度，记录不同l1情况下MMI的损耗，选择损耗最低时l1的取值作为最优长度。之后采用相同的办法依次扫描l2和wl，最终完成MMI的优化设计，使MMI的损耗最小。第五步：改变其中一个输出端单模波导的位置，实现不同分光比。最后一步是实现分光比可调MMI的关键步骤，由理论推导可知，分光比为1:1的MMI两输出端是对称分布的，单模波导中心与多模波导中心的距离为W/4。那么只需要改变MMI其中一个输出端的位置，就能够改变MMI两输出端的分光比。具体方法仍然是利用扫描模块，得到不同输出端位置情况下，MMI两输出端的分光比情况，实现分光比由1:1到1:100的变化。
三、总结
本文以典型的分光比可调分光器教学为例，详细介绍了其在理论、仿真设计以及结构优化三方面的教学内容和注意事项。本文可为硅基光子学类课程的实验设计提供相应的参考。
参考文献
[1]贾晓玲.SOI-MMI光波导器件与光开关研究[D].中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2005.
[2]向磊.基于Si基的MMI设计制作及其在全光信号处理中的应用[D].华中科技大学,2013.
作者:廖莎莎 李强 廖希 单位:重庆邮电大学通信与信息工程学院