毛建貴 羅安林 吳川 雷雪輝 楊述 周自剛

摘 要：利用有限差分光束傳播法基本原理，基于Rsoft仿真模擬，設(shè)置特定的耦合種子光源波長(zhǎng)、折射率與最大偏心距離參數(shù)，探究分支波導(dǎo)最佳的最大偏心距離參數(shù)，對(duì)制備低損耗光波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：有限差分光束傳播法；Rsoft仿真模擬；最大偏心距離

0 引言

光通信技術(shù)迅猛發(fā)展，目前主流光波導(dǎo)制備工藝為離子交換法、光刻工藝等，其他加工工藝如飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)等也正在實(shí)驗(yàn)室探索中，不同的加工工藝制備光波導(dǎo)折射率改變、實(shí)驗(yàn)室耦合種子光源等也不盡相同，基于Rsoft仿真模擬探究分支波導(dǎo)最大偏心距離，對(duì)實(shí)驗(yàn)探究具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 最大偏心距離

在分支光波導(dǎo)中，如1×2分支波導(dǎo)，當(dāng)一束光分成兩束光，兩束光開(kāi)始平行時(shí)，單束光到中心的距離即為最大偏心距離，圖1中H參數(shù)即為最大偏心距離。最大偏心距離極大影響到光波導(dǎo)的彎曲損耗，在達(dá)到一定折射率改變后，該參數(shù)太大彎曲損耗太大，太小也容易引起兩束光產(chǎn)生串?dāng)_，且提高了后續(xù)的封裝技術(shù)難度，故探究達(dá)到一定折射率改變的情況下最佳的最大偏心距離尤為重要。目前市場(chǎng)上常用的離子交換法最大偏心距離標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為125μm。同時(shí)，分支波導(dǎo)彎曲路徑也很大部分影響了光波導(dǎo)的彎曲損耗，以前常用的是Y分支路徑函數(shù)，即彎曲部分為線(xiàn)性函數(shù)，或者s型彎曲波導(dǎo)，彎曲損耗相對(duì)較低。2013年，西南科技大學(xué)周自剛等人提出一種高次冪函數(shù)彎曲波導(dǎo)路徑，降低了光波導(dǎo)的彎曲損耗[1]。

2 光束傳播法

光束傳播法（BPM）是一種特別重要的方法，其應(yīng)用滲透到光學(xué)的大多數(shù)領(lǐng)域，解決光在器件中的傳播規(guī)律問(wèn)題，BPM主要分為快速傅立葉變換光束傳播法（FFT-BPM）、有限差分光束傳輸法（FD-BPM）和有限元光束傳輸法（FE-BPM）等[2]。

Rsoft軟件基于有限差分光束傳播法，通過(guò)設(shè)置特定的耦合種子光源波長(zhǎng)、折射率、最大偏心距離等參數(shù)，模擬光在介質(zhì)內(nèi)部的傳輸，可運(yùn)用于光波導(dǎo)、光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制器、光柵等多個(gè)光學(xué)器件的仿真模擬[3]。

3 Rsoft模擬

我們?cè)O(shè)置耦合種子光源波長(zhǎng)1064nm，折射率為鈮酸鋰折射率2.297，折射率改變?yōu)槔硐氲娜鯇?dǎo)條件0.01（可根據(jù)具體制備工藝能達(dá)到的折射率改變?cè)O(shè)置），并將折射率改變?cè)O(shè)置為理想化的階躍型，波導(dǎo)區(qū)域直徑10μm。為了探究最佳的最大偏心距離參數(shù)，我們將圖1中L固定為4000μm，設(shè)置為S型彎曲波導(dǎo)，設(shè)置H參數(shù)分別為50、100、125、150，通過(guò)仿真分別得到4個(gè)條件下的每條波導(dǎo)分支輸出光功率為0.43421、0.36404、0.35526、0.35088，在最大偏心距離小于125μm時(shí)，光束在波導(dǎo)內(nèi)傳輸效果較好，光束在波導(dǎo)內(nèi)連續(xù)傳輸，在H參數(shù)大于200μm時(shí)，光束在傳輸過(guò)程中明顯損耗過(guò)大。

于是我們得到，在該折射率改變及耦合種子光源條件下，最大偏心距離越大，輸出光功率越小，在最大偏心距離小于125μm左右時(shí)，損耗降到較小范圍，且傳輸過(guò)程中的光功率滿(mǎn)足光波導(dǎo)的基本設(shè)計(jì)要求。為了降低后續(xù)封裝的技術(shù)難度，及避免兩列光波因?yàn)榫嚯x太近導(dǎo)致傳輸過(guò)程中產(chǎn)生串?dāng)_，在達(dá)到該條件下實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程中我們可以選擇參數(shù)H=125μm，這與目前市場(chǎng)上常用的離子交換法125μm最大偏心距離相適應(yīng)。當(dāng)然，H參數(shù)的選擇還依賴(lài)于L參數(shù)的選擇。

另外，我們選擇參數(shù)H=125μm、L=4000μm，通過(guò)設(shè)置不同的耦合光源波長(zhǎng)（632.8nm、1064nm、1330nm、1550nm），其他參數(shù)保持不變，模擬不同波長(zhǎng)的耦合光源對(duì)光波導(dǎo)導(dǎo)光性能的影響，仿真結(jié)果顯示，在利用這四種波長(zhǎng)光源進(jìn)行耦合時(shí)得到單支波導(dǎo)輸出光功率分別為：0.35088、0.35526、0.43511、0.41985。

通過(guò)仿真結(jié)果不難理解，在光通信中常用的光源波長(zhǎng)為1330nm和1550nm，比較這兩種波長(zhǎng)光源在耦合時(shí)的仿真結(jié)果可以看到，1330nm波長(zhǎng)光源在分支波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)，其每條波導(dǎo)分支輸出光功率高于1550nm波長(zhǎng)時(shí)的輸出光功率，其彎曲損耗低于1550nm波長(zhǎng)時(shí)的彎曲損耗。2001年，劉世春在實(shí)驗(yàn)探究1310nm和1550nm波長(zhǎng)對(duì)光纖彎曲損耗的影響時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該仿真結(jié)果一致，說(shuō)明該仿真結(jié)果具有可靠性[4]。

當(dāng)設(shè)置參數(shù)H=125μm，L=4000μm，耦合光源為1330nm波長(zhǎng)時(shí)，每條波導(dǎo)分支輸出光功率達(dá)到0.43511，分光比為1：1，總輸出光功率0.87022，總輸入光功率為1，可計(jì)算出損耗為0.6037dB，小于1dB，滿(mǎn)足低損耗光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

在不同的實(shí)驗(yàn)工藝上，能達(dá)到不同的折射率改變，如飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)刻寫(xiě)鈮酸鋰光波導(dǎo)能達(dá)到的折射率改變遠(yuǎn)小于0.01。我們通過(guò)Rsoft模擬便能得到實(shí)驗(yàn)所需的最佳的最大偏心距離參數(shù)，極大降低了實(shí)驗(yàn)室操作難度和工作量，為我們的實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。此方法同樣也可用于模擬1×3及1×4 3D光波導(dǎo)的模擬仿真。

參考文獻(xiàn)

[1] 周自剛，羅晨，楊永佳，范宗學(xué)，全恩思，朱萬(wàn)清，王亮.飛秒激光刻寫(xiě)1×4鈮酸鋰光波導(dǎo)功分器的研究光子學(xué)報(bào)，2013（42），4.

[2] 溫昌禮，季家镕，竇文華，馮向華，宋艷生.光束傳播法中有效折射率參數(shù)的確定方法及比較.光電子·激光 ， 2011.

[3] 鳳蘭，吳根柱，霍海燕.光束傳播法在光波導(dǎo)中的應(yīng)用，內(nèi)蒙古石油化工， 2010（24）.

[4] 劉世春.310nm和1550nm波長(zhǎng)的光纖彎曲損耗及對(duì)光纜線(xiàn)路測(cè)試的探討.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2001（1）.