基于Rsoft探究分支波导最大偏心距离

毛建贵 罗安林 吴川 雷雪辉 杨述 周自刚

摘 要：利用有限差分光束传播法基本原理，基于Rsoft仿真模拟，设置特定的耦合种子光源波长、折射率与最大偏心距离参数，探究分支波导最佳的最大偏心距离参数，对制备低损耗光波导实验具有很强的指导意义。

关键词：有限差分光束传播法；Rsoft仿真模拟；最大偏心距离

0 引言

光通信技术迅猛发展，目前主流光波导制备工艺为离子交换法、光刻工艺等，其他加工工艺如飞秒激光直写技术等也正在实验室探索中，不同的加工工艺制备光波导折射率改变、实验室耦合种子光源等也不尽相同，基于Rsoft仿真模拟探究分支波导最大偏心距离，对实验探究具有很强的指导意义。

1 最大偏心距离

在分支光波导中，如1×2分支波导，当一束光分成两束光，两束光开始平行时，单束光到中心的距离即为最大偏心距离，图1中H参数即为最大偏心距离。最大偏心距离极大影响到光波导的弯曲损耗，在达到一定折射率改变后，该参数太大弯曲损耗太大，太小也容易引起两束光产生串扰，且提高了后续的封装技术难度，故探究达到一定折射率改变的情况下最佳的最大偏心距离尤为重要。目前市场上常用的离子交换法最大偏心距离标准参数为125μm。同时，分支波导弯曲路径也很大部分影响了光波导的弯曲损耗，以前常用的是Y分支路径函数，即弯曲部分为线性函数，或者s型弯曲波导，弯曲损耗相对较低。2013年，西南科技大学周自刚等人提出一种高次幂函数弯曲波导路径，降低了光波导的弯曲损耗[1]。

2 光束传播法

光束传播法（BPM）是一种特别重要的方法，其应用渗透到光学的大多数领域，解决光在器件中的传播规律问题，BPM主要分为快速傅立叶变换光束传播法（FFT-BPM）、有限差分光束传输法（FD-BPM）和有限元光束传输法（FE-BPM）等[2]。

Rsoft软件基于有限差分光束传播法，通过设置特定的耦合种子光源波长、折射率、最大偏心距离等参数，模拟光在介质内部的传输，可运用于光波导、光开关、光调制器、光栅等多个光学器件的仿真模拟[3]。

3 Rsoft模拟

我们设置耦合种子光源波长1064nm，折射率为铌酸锂折射率2.297，折射率改变为理想的弱导条件0.01（可根据具体制备工艺能达到的折射率改变设置），并将折射率改变设置为理想化的阶跃型，波导区域直径10μm。为了探究最佳的最大偏心距离参数，我们将图1中L固定为4000μm，设置为S型弯曲波导，设置H参数分别为50、100、125、150，通过仿真分别得到4个条件下的每条波导分支输出光功率为0.43421、0.36404、0.35526、0.35088，在最大偏心距离小于125μm时，光束在波导内传输效果较好，光束在波导内连续传输，在H参数大于200μm时，光束在传输过程中明显损耗过大。

于是我们得到，在该折射率改变及耦合种子光源条件下，最大偏心距离越大，输出光功率越小，在最大偏心距离小于125μm左右时，损耗降到较小范围，且传输过程中的光功率满足光波导的基本设计要求。为了降低后续封装的技术难度，及避免两列光波因为距离太近导致传输过程中产生串扰，在达到该条件下实验制备过程中我们可以选择参数H=125μm，这与目前市场上常用的离子交换法125μm最大偏心距离相适应。当然，H参数的选择还依赖于L参数的选择。

另外，我们选择参数H=125μm、L=4000μm，通过设置不同的耦合光源波长（632.8nm、1064nm、1330nm、1550nm），其他参数保持不变，模拟不同波长的耦合光源对光波导导光性能的影响，仿真结果显示，在利用这四种波长光源进行耦合时得到单支波导输出光功率分别为：0.35088、0.35526、0.43511、0.41985。

通过仿真结果不难理解，在光通信中常用的光源波长为1330nm和1550nm，比较这两种波长光源在耦合时的仿真结果可以看到，1330nm波长光源在分支波导内传输时，其每条波导分支输出光功率高于1550nm波长时的输出光功率，其弯曲损耗低于1550nm波长时的弯曲损耗。2001年，刘世春在实验探究1310nm和1550nm波长对光纤弯曲损耗的影响时得到的实验结果与该仿真结果一致，说明该仿真结果具有可靠性[4]。

当设置参数H=125μm，L=4000μm，耦合光源为1330nm波长时，每条波导分支输出光功率达到0.43511，分光比为1：1，总输出光功率0.87022，总输入光功率为1，可计算出损耗为0.6037dB，小于1dB，满足低损耗光波导的设计需求。

4 结论

在不同的实验工艺上，能达到不同的折射率改变，如飞秒激光直写技术刻写铌酸锂光波导能达到的折射率改变远小于0.01。我们通过Rsoft模拟便能得到实验所需的最佳的最大偏心距离参数，极大降低了实验室操作难度和工作量，为我们的实验提供了理论依据。此方法同样也可用于模拟1×3及1×4 3D光波导的模拟仿真。

参考文献

[1] 周自刚，罗晨，杨永佳，范宗学，全恩思，朱万清，王亮.飞秒激光刻写1×4铌酸锂光波导功分器的研究光子学报，2013（42），4.

[2] 温昌礼，季家镕，窦文华，冯向华，宋艳生.光束传播法中有效折射率参数的确定方法及比较.光电子·激光 ， 2011.

[3] 凤兰，吴根柱，霍海燕.光束传播法在光波导中的应用，内蒙古石油化工， 2010（24）.

[4] 刘世春.310nm和1550nm波长的光纤弯曲损耗及对光缆线路测试的探讨.光纤与电缆及其应用技术，2001（1）.