OptiFDTD应用：用于光纤入波导耦合的硅纳米锥仿真

介绍

在高约束芯片上与亚微米波导上耦合光的两种主要方法是光栅或锥形耦合器。[1]

耦合器由高折射率比材料组成，是基于具有纳米尺寸尖端的短锥形。[2]

锥形耦合器实际上是光纤和亚微米波导之间的紧凑模式转换器。[2]

锥形耦合器可以是线性[1]或抛物线性[2]过渡。

选择Silicon-on-insulator（SOI）技术作为纳米锥和波导的平台，因为它提供高折射率比，包括二氧化硅层作为光学缓冲器，并允许与集成电子电路兼容。[2]

[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)

[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);

3D FDTD仿真
 

要模拟的关键部件是来自参考文献[1]的线性锥形硅波导（160 nm至500 nm宽度变化超过100 um长度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波导中（注意：使用的尺寸减小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便达到更快的模拟时间）

  为了精确模拟线性锥形硅波导，锥形的网格尺寸应该要设置密度大一些，因此在这种情况下使用不均匀的网格。

光源在时域中设置为CW（  = 1.55 um），在空间域上设置为高斯横向分布，并且位于二氧化硅波导的硅纸尖端。

注意：模拟时间应足够长，以确保稳态结果

仿真结果

顶视图展示了锥形硅波导的有效耦合。
 

底部视图显示了不同位置的模式转换（左：25 um，中间：65 um，右：103 um）