本文转载自Comsol科研助手

本文导读:

1,  模数哥对波导研究的理解;

2,  模数哥眼中的年轻有为;

3,  Comsol建模仿真硅纳米波导的偏振分离器;

波导(Waveguide)一直是研究学者非常感兴趣的结构,这也是光子学领域非常基础的器件。波导的仿真主要分为三个方面,模式分析、模式传播和模式间耦合。准确的来说,这三个方面是紧密相关,相辅相成的。光在波导中的模式激发和传播离不开耦合,而模式耦合的研究离不开对模式的分析。关于复杂波导的模式分析,可参考往期例文;至于波导中的光场传播可看往期例文。

一般而言,我们在二维模型中就可以充分地研究波导结构的传播和耦合特性,而且二维模型的建模要简单得多,仿真效率也会提高很多。如和 。这两个帖子中,模数哥并没有照搬作者的三维模型,而是采用了二维建模的方式,得到了同样的物理规律。但是我们今天要介绍的这篇文章呢,还真的不好用二维模型来简化了。这篇文章是浙江大学戴道锌老师在美国加州大学圣巴巴拉分校UCSB访学时候和John Bowers合作的文章,发表在Optics Express上,Novel concept for ultracompact polarization splitter- rotator based on silicon nanowires。戴老师是集成光学方面的专家,和何赛灵老师合著过《微纳光子集成》一书,2017年38岁便拿到了国家杰青,真的可谓是年轻有为了。

戴老师这篇发表在OE上的理论文章,是基于硅纳米线波导实现了超紧凑偏振分离器。其结构如上图所示,在二氧化硅衬底上做出硅波导,在通讯波长1550nm下硅材料的折射率refractive indices是3.455,远大于二氧化硅材料的1.445,所以可以实现很好的模场束缚。这个结构的功能概括来说,当基模TM0入射时,该模式会在Taper段转换为高阶TE1模式,然后在Coupling段耦合到邻近窄波导中以其基模TE0出射;而如果是基模TE0入射时,则不会发生模式转变,且不会耦合到邻近波导。所以这个结构可以实现模式的分离。

为了解释上述器件功能,我们需要先研究这个波导的模式,以波导宽度w = 900 nm为例,其不同模场分布如上图所示,这时候的TE0模式有效折射率仍然高高在上,和其他模式区别较大,但是TM0和TE1模式的有效折射率非常接近,且模场分布存在杂化和交叠,这就意味着TM0模式的传播会耦合到TE1模式中。

为了验证这种模式转化效应,我们建立了如下的三维波导模型,中间较长一段便是实现模式转换的Taper。波导最两端是均匀宽度,分别是耦入、耦出的作用。我们将波导的两个端面设置为数值型Numerical Port并进行边界模式分析Boundary Mode Analysis,最后进行频域分析Frequency Domain。

当我们设置输入端为TM0模式时,通过提取Port的S参数,可以得到输出端TM0和TE1模式的能量强度,即TM0到TE1模式间的转换率(原图Fig.3):

上图横坐标Ltp2就是模型中间耦合段tap2的长度,可以看到只要该长度大于40um,入射基模TM0都能很好地转变为TE1模式,在很多尺寸下转换效率甚至接近100%。提取波导传播方向切面的能量分布图,可以清晰地看到TM0到TE1的转变(原图Fig.4b):

而对于TE0模式的入射,由于其有效折射率远大于其他模式,所以在tap2的传播过程中并不会发生模式的变化,只不过由于波导宽度的增加,其能量密度有所变小(原图Fig.4a):

至此,这篇文章的核心思想其实就介绍完了。虽然看起来很简单,但是作者在构思和设计结构的时候也是做了很多的功课的,下面是一些具体的点评:

1,本文最核心的内容就是波导中TM0到TE1的转变,这其实也是一个模式耦合的过程,也需要波矢匹配和模场交叠,和我们之前做光学非线性的理论其实是一样的。

2,关于波导之间后来发生的TE1模式到TE0的耦合,我们前文并没有做仿真重复,但其实是很好理解的。从前文模场分布图中可以看到,主波导的TE1模式有能量分为两块,且在波导中心存在一个弱能量的波节,其波导外泄露场非常强。再通过优化次波导的宽度,是的其TE1的有效折射率和主波导TE0的有效折射率接近甚至相同,就可以很好地实现耦合。另一方面,如果主波导中是TE0入射,其模场的能量主要聚焦在波导的中心,所以泄露场非常小,再加上和次波导TE0模式波矢的失配,很难产生耦合。

3,文章关于Fig.3好Fig.4的仿真工作是用的另一款商业软件(FIMMPROP, Photon  Design,  UK),模数哥没有接触过,但是我们使用Comsol软件很好地实现了仿真重复,再次证明了Comsol软件在电磁分析方面的强大功能,也印证了模数哥的那句话,不管什么软件,学通一个就够了,殊途同归。

4,在做Comsol的三维波导仿真时,由于该结构尺寸非常大,所以是很难用电磁波频域模块来仿真的,除非你能够搞到内存超过100G的服务器,再通过降低物理场的离散化阶数,还是可以搞定的。但是如前文所说,这篇文章,不能简化到二维模型,那样即使我们可以调出TM0和TE1模式相同的有效折射率,但是无法实现模场的交叠。

5,这篇文章迄今引用次数已有一百五十多次,在理论仿真类的工作中也算是很不错的了。

声学科普

为提高全民科学意识,大力倡导声学科学技术普及创新,中国声学学会启动了第二届声学科普作品征集活动。我们有10篇文章入选(共29篇入选)感兴趣的朋友可以给两江科技评论(南京光声超构材料研究院)投上宝贵的一票。

投票方式:点开下方链接,下拉至文末,在投票处勾选第20号至29号共10篇文章,点击投票,完成投票。

两江科技评论

精彩回顾

两江科技评论编辑部

免责声明:本文旨在传递更多科研信息及分享,提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权,请联系下方邮箱,我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处,如原创内容转载需授权,请联系下方微信号。