24、基于FDFD方法的光集成电路定向耦合器散射分析

基于FDFD方法的光集成电路定向耦合器散射分析

1. 引言

在进行任何模拟结论推导之前，确保模拟达到适当的收敛性是至关重要的。本文将详细介绍如何使用有限差分频域（FDFD）方法对光集成电路（OIC）定向耦合器进行散射分析。

2. 定向耦合器原理及结构

定向耦合器是由两个靠得足够近的波导形成的，它们之间会产生电磁耦合。根据耦合模式理论，在这种情况下，两个波导之间会发生周期性的功率交换。定向耦合器广泛应用于微波电路、光集成电路以及其他频段。

为了提高计算效率，采用有效折射率方法（EIM）将三维的光集成电路简化为二维表示。其中，肋形波导的设计与之前类似，但尺寸更小，以确保波导仅支持基模。具体尺寸为：h = 300 nm，t = 100 nm，w = 400 nm。输入波导沿x方向的总长度为8.525 μm，第二个波导从距离输入波导起始点775 nm处开始，两个波导在右侧末端位置相同，波导之间的间隙为155 nm。通过模拟实验发现，较小的间隙会增强波导之间的耦合，并缩短功率交换所需的距离。耦合长度是指将最大量的功率从第一个波导传输到第二个波导所需的距离。

3. 模拟网格策略

模拟的网格策略如下：
- 在所有网格边界放置单轴完美匹配层（UPML），其大小为20个单元格。
- 输入波导沿x方向贯穿整个网格。
- 第二个波导与第一个波导平行，但起始点在右侧一定距离处。
- 总场/散射场（TF/SF）界面垂直穿过网格，位于最左侧UPML右侧，通过QAAQ技术将源注入输入波导。

以下是模拟步骤的流程图：