基于Rsoft探究分支波導最大偏心距離

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，設置特定的耦合種子光源波長、折射率與最大偏心距離參數，探究分支波導最佳的最大偏心距離參數，對制備低損耗光波導實驗具有很強的指導意義。

關鍵詞：有限差分光束傳播法；Rsoft仿真模擬；最大偏心距離

0 引言

光通信技術迅猛發展，目前主流光波導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技術等也正在實驗室探索中，不同的加工工藝制備光波導折射率改變、實驗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最大偏心距離，對實驗探究具有很強的指導意義。

1 最大偏心距離

在分支光波導中，如1×2分支波導，當一束光分成兩束光，兩束光開始平行時，單束光到中心的距離即為最大偏心距離，圖1中H參數即為最大偏心距離。最大偏心距離極大影響到光波導的彎曲損耗，在達到一定折射率改變后，該參數太大彎曲損耗太大，太小也容易引起兩束光產生串擾，且提高了后續的封裝技術難度，故探究達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。目前市場上常用的離子交換法最大偏心距離標準參數為125μm。同時，分支波導彎曲路徑也很大部分影響了光波導的彎曲損耗，以前常用的是Y分支路徑函數，即彎曲部分為線性函數，或者s型彎曲波導，彎曲損耗相對較低。2013年，西南科技大學周自剛等人提出一種高次冪函數彎曲波導路徑，降低了光波導的彎曲損耗[1]。

2 光束傳播法

光束傳播法（BPM）是一種特別重要的方法，其應用滲透到光學的大多數領域，解決光在器件中的傳播規律問題，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，通過設置特定的耦合種子光源波長、折射率、最大偏心距離等參數，模擬光在介質內部的傳輸，可運用于光波導、光開關、光調制器、光柵等多個光學器件的仿真模擬[3]。

3 Rsoft模擬

我們設置耦合種子光源波長1064nm，折射率為鈮酸鋰折射率2.297，折射率改變為理想的弱導條件0.01（可根據具體制備工藝能達到的折射率改變設置），并將折射率改變設置為理想化的階躍型，波導區域直徑10μm。為了探究最佳的最大偏心距離參數，我們將圖1中L固定為4000μm，設置為S型彎曲波導，設置H參數分別為50、100、125、150，通過仿真分別得到4個條件下的每條波導分支輸出光功率為0.43421、0.36404、0.35526、0.35088，在最大偏心距離小于125μm時，光束在波導內傳輸效果較好，光束在波導內連續傳輸，在H參數大于200μm時，光束在傳輸過程中明顯損耗過大。

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，損耗降到較小范圍，且傳輸過程中的光功率滿足光波導的基本設計要求。為了降低后續封裝的技術難度，及避免兩列光波因為距離太近導致傳輸過程中產生串擾，在達到該條件下實驗制備過程中我們可以選擇參數H=125μm，這與目前市場上常用的離子交換法125μm最大偏心距離相適應。當然，H參數的選擇還依賴于L參數的選擇。

另外，我們選擇參數H=125μm、L=4000μm，通過設置不同的耦合光源波長（632.8nm、1064nm、1330nm、1550nm），其他參數保持不變，模擬不同波長的耦合光源對光波導導光性能的影響，仿真結果顯示，在利用這四種波長光源進行耦合時得到單支波導輸出光功率分別為：0.35088、0.35526、0.43511、0.41985。

通過仿真結果不難理解，在光通信中常用的光源波長為1330nm和1550nm，比較這兩種波長光源在耦合時的仿真結果可以看到，1330nm波長光源在分支波導內傳輸時，其每條波導分支輸出光功率高于1550nm波長時的輸出光功率，其彎曲損耗低于1550nm波長時的彎曲損耗。2001年，劉世春在實驗探究1310nm和1550nm波長對光纖彎曲損耗的影響時得到的實驗結果與該仿真結果一致，說明該仿真結果具有可靠性[4]。

當設置參數H=125μm，L=4000μm，耦合光源為1330nm波長時，每條波導分支輸出光功率達到0.43511，分光比為1：1，總輸出光功率0.87022，總輸入光功率為1，可計算出損耗為0.6037dB，小于1dB，滿足低損耗光波導的設計需求。

4 結論

在不同的實驗工藝上，能達到不同的折射率改變，如飛秒激光直寫技術刻寫鈮酸鋰光波導能達到的折射率改變遠小于0.01。我們通過Rsoft模擬便能得到實驗所需的最佳的最大偏心距離參數，極大降低了實驗室操作難度和工作量，為我們的實驗提供了理論依據。此方法同樣也可用于模擬1×3及1×4 3D光波導的模擬仿真。

參考文獻

[1] 周自剛，羅晨，楊永佳，范宗學，全恩思，朱萬清，王亮.飛秒激光刻寫1×4鈮酸鋰光波導功分器的研究光子學報，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中的應用，內蒙古石油化工， 2010（24）.

[4] 劉世春.310nm和1550nm波長的光纖彎曲損耗及對光纜線路測試的探討.光纖與電纜及其應用技術，2001（1）.