硅基光波导激光表面光滑化仿真方法

摘要

本发明属于集成光学领域和材料表面工程领域，尤其涉及采用激光以降低波导侧壁粗糙度的方式降低硅光波导散射损耗的仿真模拟方法，具体为一种硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，解决了使用激光对硅基光波导做表面粗糙度处理过程中，凭经验设置工艺参数的不准确，成功率低等关键问题。该数值仿真方法可以重现任何工艺制作的波导侧壁产生的粗糙表面。根据还原的侧壁真实形貌，结合相变要求的熔深、时长数据，获得相应的激光能量密度、入射角、脉冲时长参数。为工艺过程提供了准确可靠的参数数据。本发明分析结果准确性、精度高，极大地缩短了工艺参数获得的周期，为光波导器件的大规模生产和自适应加工奠定了坚实的基础。

主权项

硅基光波导激光表面光滑化仿真方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：确定激光照射下，硅基光波导的热源分布，分析硅基光波导与环境之间的热交换，用于设定边界条件；第二步：分析在激光照射下，硅基光波导在升温过程中的物理机理并进行简化，在有限元分析方法中根据简化的物理机理将实际硅基光波导棱柱三维结构建立成硅基光波导棱柱二维模型；第三步：设置硅基光波导的材料对激光能量的吸收系数、常压热容、密度和热导系数，设置热源激光照射角度、激光平均能量密度和激光脉冲时长，以及对流传输系数，将设置的激光参数作为边界条件施加在硅基光波导棱柱二维模型上，然后根据热传导理论，利用有限元分析方法对激光照射下的硅基光波导进行瞬态温度场分析，得出硅基光波导在激光作用下的各区域温度随时间变化的数据，为分析硅基光波导的相变熔化区流体流动情况奠定基础；第四步：温度场获得的各区域温度随时间变化的数据用于在硅基光波导棱柱二维模型上得到区分硅基光波导受热熔化区域和未熔化区域的等温线，然后根据真实硅基光波导制造后留下的粗糙侧壁数据，在有限元分析方法中重构侧壁粗糙表面；第五步：采用间接法，在流场中使用温度场获得的等温线数据控制重构的侧壁粗糙表面受热后的熔化区域和未熔化区域，采用不可压缩流体条件下的纳维‑斯托克斯方程在有限元软件中计算熔化区域的流体流动，获得流体流动特性；第六步：根据流体流动特性，通过有限元分析方法求解计算，得到硅基光波导受热熔化凝固后的表面图，表面图用于检验激光参数的设定是否合理，若表面图粗糙度低可直接指导实际加工，若表面图粗糙度高，需要重新调整激光参数。