激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法技术

本申请涉及一种激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法。包括：构建硅光芯片内的输入光波导的模型。确定透镜元件的各项参数的参数值范围，并确定需优化参数的顺序。针对每一需优化参数对应设计变化数列。构建包括激光器、透镜元件与硅光芯片的仿真测试模型。将同一变化数列内的各个参数值对应的透镜元件依次放入测试模型，并调整透镜元件的位置参数，使透镜元件的出射光束在聚焦平面的像差最小。将经过透镜元件整形后的激光器输出的光作为硅光芯片的输入光源，计算经过硅光芯片后的传输损耗，获得对应的传输损耗的数据集。选择传输损耗的数据集内的最小值对应的参数作为优化后的参数。重复前述步骤，确定透镜元件的各项优化后参数。项优化后参数。项优化后参数。

【技术实现步骤摘要】
激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法


[0001]本申请涉及光子集成领域，尤其涉及一种激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法。

技术介绍

[0002]在相关技术中，光电子集成是光电器件发展的必然趋势，单片集成能有效改善器件的响应速率与耦合效率，并减小器件的功耗和串扰，从而，满足信息社会信息急速膨胀的需求。光通信系统包括激光器、光电调制器与光电探测器等器件。其中，激光器在传感和模拟调制等方面有着十分广泛的应用，而耦合效率一直是激光器类产品非常关注的指标之一，高耦合效率对产品性能的提升有着至关重要的作用。可实现更高的耦合效率，有利于提高光芯片的集成度。
[0003]光集成器件中常采用透镜元件用于激光器的输出光整形及耦合。激光器发射光束发散角较大，采用的耦合透镜均为微米级透镜。然而，光信号耦合进入的其它光通信器件，如光电调制器的光波导仅有亚微米级。采用传统几何光学计算方法无法准确地计算光信号进入亚微米级光波导的传输损耗，而采用波动光学的计算方法又过于耗时。

技术实现思路

[0004]根据本申请实施例的第一方面，提供一种激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法，所述耦合结构，包括顺序排列的激光器、透镜元件与硅光芯片；所述硅光芯片包括输入光波导；
[0005]所述仿真设计方法，包括：
[0006]构建所述硅光芯片内的输入光波导的模型；
[0007]在构建所述输入光波导的模型后，基于所述激光器的光源的模场信息和所述输入光波导的模场信息确定所述透镜元件的各项参数的参数值范围；<br/>[0008]根据所述透镜元件的各项参数的参数值范围，确定需优化参数的顺序；针对每一所述需优化参数对应设计变化数列，所述变化数列包括对应所述需优化参数的至少两个不同的参数值；
[0009]构建包括所述激光器、所述透镜元件与所述硅光芯片的测试模型；将同一变化数列内的各个参数值对应的所述透镜元件依次放入所述测试模型，并调整所述透镜元件的位置参数，使所述透镜元件的出射光束在聚焦平面的像差最小；
[0010]将经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出的光作为所述硅光芯片的输入光源，并计算经过所述硅光芯片后的传输损耗；获得每个所述变化数列对应的所述传输损耗的数据集；
[0011]选择所述传输损耗的数据集内的最小值，所述最小值对应的参数为所述需优化参数的优化后参数；
[0012]重复前述步骤，确定所述透镜元件的各项优化后参数。
[0013]在一些实施例中，构建所述硅光芯片内的输入光波导的模型，包括：
[0014]计算所述输入光波导的模场信息，计算所述输入光波导的模场直径2*w
L
，w
L
为输入光波导输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径。
[0015]在一些实施例中，所述透镜元件包括准直透镜与聚焦透镜；
[0016]基于激光器输出光源的模场信息和所述输入光波导的模场直径确定透镜元件的参数值范围，包括：
[0017]确定所述激光器输出光的模场直径2*w0，w0为激光器输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径；
[0018]确定所述准直透镜与所述聚焦透镜的焦距的范围，使经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出光束的模场半径w0'与所述输入光波导的模场半径w
L
的差异在5％以内，w0'为经过透镜整形后的激光束的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束的半径，w
L
为输入光波导输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径。
[0019]在一些实施例中，所述透镜元件包括准直透镜与聚焦透镜；
[0020]根据所述透镜元件的各项参数的参数值范围，确定所述需优化参数的顺序，包括：
[0021]根据确定的所述准直透镜与所述聚焦透镜的焦距的范围，依次分析所述激光器经过所述透镜元件整形后输出光束的模场半径w0'，随着所述准直透镜与聚焦透镜的厚度、曲率半径以及非球面系数的变化而发生变化的趋势，w0'为经过透镜整形后的激光束的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束的半径；
[0022]依照对应变化趋势的变化幅度的大小作为所述需优化参数的顺序。
[0023]在一些实施例中，根据所述透镜元件的各项参数的参数值范围，确定所述需优化参数的范围，包括：
[0024]根据透镜焦距与曲率半径和厚度的关系：
[0025][0026]确定透镜曲率半径、厚度的范围。其中，f为透镜的焦距，n为透镜的折射率，R1和R2分别为透镜前、后表面的曲率半径，d为透镜的厚度。
[0027]在一些实施例中，设计需要优化的对象的变化数列，包括：
[0028]在所述透镜元件的一个参数的参数值范围内，以等差的方式获取至少两个参数值；
[0029]在获取参数值后，将所获取的参数值组成对应参数的所述变化数列。
[0030]在一些实施例中，所述透镜元件包括准直透镜与聚焦透镜；
[0031]使所述透镜元件的出射光束在聚焦平面的像差最小，包括：
[0032]将所述准直透镜与所述聚焦透镜的位置参数优化，使得激光出射射线在聚焦平面处偏离中心轴线的距离和最小。
[0033]在一些实施例中，将经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出光束作为所述硅光芯片的输入光源，并计算经过所述硅光芯片后的传输损耗，包括：
[0034]根据所述透镜元件的所述需优化参数的变化数列，计算获得至少两个经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出光束；
[0035]分别将至少两个经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出光束作为所述硅光
芯片的光源，计算经过所述硅光芯片后的传输损耗。
[0036]在一些实施例中，确定所述透镜元件的各项优化后的参数，包括：
[0037]根据所述需优化参数的顺序，确定各项所述需优化参数与其最优值的偏差范围；在所述偏差范围内选择各项所述需优化参数的优化后参数。
[0038]根据本申请实施例的第二方面，提供一种激光器与硅光芯片的耦合结构，采用上述任一种激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法进行设计。
[0039]根据上述实施例可知，通过上述几何光学的仿真计算步骤与波动光学的仿真计算步骤相结合，可以通过基于几何光学原理的仿真计算步骤实现耦合结构宏观部分的计算，以大量降低微观部分需要计算的数据量，且结合波动光学的原理同时高精度计算微观部分的传输损耗并确定优化后参数，从而，可以有效结合几何光学与波动光学两种光学计算方法的优点，使基于两种原理的仿真计算步骤协同发挥作用确定透镜元件的优化后参数，进而，可以有效地解决集宏观与微观为一体的光耦合设计问题。
[0040]并且，由于几何光学与波动光学互相配合，降低了整体的仿真模拟计算量，从而，可提高仿真效率。通过此设计方法也可以提高设计精度，从而，可以使激光器的微米级光模场与硅光芯片中的亚微米级光模场高效匹配实现光场的低损耗转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法，其特征在于，所述耦合结构，包括顺序排列的激光器、透镜元件与硅光芯片；所述硅光芯片内包括输入光波导；所述仿真设计方法，包括：构建所述硅光芯片内的输入光波导的模型；在构建所述输入光波导的模型后，基于所述激光器的光源的模场信息和所述输入光波导的模场信息确定所述透镜元件的各项参数的参数值范围；根据所述透镜元件的各项参数的参数值范围，确定需优化参数的顺序；针对每一所述需优化参数对应设计变化数列，所述变化数列包括对应所述需优化参数的至少两个不同的参数值；构建包括所述激光器、所述透镜元件与所述硅光芯片的仿真测试模型；将同一变化数列内的各个参数值对应的所述透镜元件依次放入所述测试模型，并调整所述透镜元件的位置参数，使所述透镜元件的出射光束在聚焦平面的像差最小；将经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出的光作为所述硅光芯片的输入光源，并计算经过所述硅光芯片后的传输损耗；获得每个所述变化数列对应的所述传输损耗的数据集；选择所述传输损耗的数据集内的最小值，所述最小值对应的参数为所述需优化参数的优化后参数；重复前述步骤，确定所述透镜元件的各项优化后参数。2.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法，其特征在于，构建所述硅光芯片内的输入光波导的模型，包括：计算所述输入光波导的模场信息，计算所述输入光波导的模场直径2*w
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，w
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为所述输入光波导输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径。3.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法，其特征在于，所述透镜元件包括准直透镜与聚焦透镜；基于激光器输出光源的模场信息和所述输入光波导的模场直径确定透镜元件的参数值范围，包括：确定所述激光器输出光的模场直径2*w0，w0为激光器输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径；确定所述准直透镜与所述聚焦透镜的焦距的范围，使经过所述透镜元件整形后的所述激光器输出光束的模场半径w0'与所述输入光波导的模场半径w
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的差异在5％以内，w0'为经过透镜整形后的激光束的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束的半径,w
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为输入光波导输出光场的场强下降到光轴上场强的1/e2时所对应的光束半径。4.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片的耦合结构的仿真设计方法，其特征在于，所述透镜元件包括准直透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奕利，吉晨，尹坤，柴田，郭清水，万萦菲，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：