CN105759357B - 一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器，包括用于输入光信号的输入波导，两个输出波导，三个线性锥形波导，一个多模干涉耦合器；所述输入波导通过第一锥形波导与多模干涉耦合器连接，第一输出波导通过第二锥形波导与多模干涉耦合器连接，第二输出波导通过第三锥形波导与多模干涉耦合器连接；光信号从输入波导输入，通过第一锥形波导，进入多模干涉耦合器，基于多模干涉效应，光信号经过多模干涉耦合器，发生自成像效应；将多模干涉成像的光信号，分别经过第二锥形波导和第三锥形波导，从第一输出波导和第二输出波导输出，实现光信号模阶数转换的功能。本发明具有结构紧凑、损耗小、带宽高、制作容差性好，具有大的工作范围等特点。

Description

一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器。
背景技术
近几年，由于高折射率材料中的非线性等因素，在低折射率材料中传输的光，在光传感、光互连、光通信方面的应用，越来越变得重要。这种槽式结构的工作原理主要依赖于高折射率差的材料之间的界面上电场的不连续性。使用这样的槽式结构，E场可以强烈限制在50～100nm高的低折射率区，其强度约是常规矩形光子晶体波导的20倍。槽式波导结构在光子集成领域有着巨大的潜力，其纳米级别的尺寸结构设计有利促进了光子集成芯片的发展。同时利用这一结构设计的硅基模阶数转换器，也将更加紧凑，转换效率得到更大的提高。
锥形波导是集成光学技术的关键部分。其利用多模干涉效应的特点，可以在集成光路的很多方面的到应用与发展。线性锥形波导通常被设计用来减少插入损耗、多模干涉、实现模式转换等。二次锥形波导其多模干涉特点被用作模阶数转换器的核心部件。锥形波导的优越特性，正使它在光波导设计中受到越来越多的关注。
模阶数转换器是全光器件一个很好的研究方向。光子集成电路的光子器件，由于它的器件密度高与低功耗的特点，已经吸引了光通信与光网络方面的各项应用。模阶数转换器可以分为有源光器件与无源光器件，无源光器件是一种结构紧凑、易集成、容差性好等优点。硅基槽式紧凑式模阶数转换器的结构提出在光子集成电路领域是创新型的研究与贡献。本发明设计的槽式波导与锥形结构结合的模阶数转换器具有尺寸小，结构致密的特点。本发明设计的基于槽式波导的模阶数转换器件具有很高的可靠性，在光子集成领域具有很大的潜在应用价值。另外，由于这种结构低损耗、高转换效率等优良特性可能会带来集成工艺的改善，大批量生产降低成本，实现商业化，在实际生活中得到广泛的应用。
发明内容
为了克服现有光学模阶数转换器存在的不足，提高光子器件集成度，本发明的目的是提供一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器，包括用于输入光信号的输入波导，两个输出波导，分别为第一输出波导和第二输出波导，三个线性锥形波导，分别为第一锥形波导、第二锥形波导和第三锥形波导，一个多模干涉耦合器；所述输入波导通过第一锥形波导与多模干涉耦合器连接，第一输出波导通过第二锥形波导与多模干涉耦合器连接，第二输出波导通过第三锥形波导与多模干涉耦合器连接；
其中，光信号从输入波导输入，通过第一锥形波导，进入多模干涉耦合器，基于多模干涉效应，光信号经过多模干涉耦合器，发生自成像效应；将多模干涉成像的光信号，分别经过第二锥形波导和第三锥形波导，从第一输出波导和第二输出波导输出，实现光信号模阶数转换的功能。
所述输入波导、第一输出波导和第二输出波导均为槽式波导结构，其宽度选自模阶数限制的波导宽度。
所述第一锥形波导、第二锥形波导和第三锥形波导均为线性锥形结构，其宽度由锥形波导两端的模式决定；所述多模干涉耦合器为二次锥形波导结构，其宽度由多模干涉自成像效应决定；并且第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、多模干涉耦合器组成的整个波导为硅基槽式波导结构。
有益效果：本发明提供的转换器具有结构简单、转换效率高、损耗低、紧凑便于集成、成本低等优点，可实现大范围的光波导集成。具体为：
1、转换器的核心部件为槽式波导结构，具有很高的可靠性，尺寸小，光场强度高，非线性效应小，提高集成光路的稳定性。
2、输入输出连接器设计为线性锥形结构，可有效减小传统模阶数转换器中，直波导与二次锥形波导连接时，波导间插入损耗大与光模辐射严重的情况，使得制作的器件转换效率更加高。
3、输出连接器设计为线性锥形结构，与传统模阶数转换器相比，锥形波导将多模干涉器中间距大的光模，输入宽度小的输出波导，避免输出光信号更高阶模的干扰，有效提升了转换后模式的光功率，具有更高的应用效应。
4、多模干涉耦合器设计为二次锥形结构，可实现转换器整体尺寸很大程度的缩小，缩短传输光程，从而减小光模辐射，使得制作的器件更加紧凑、易于集成、转换效率高。
5、结构紧凑、制作成本低廉。本发明由于采用了高折射率差的绝缘体上硅材料，使得器件整体结构具有较高的紧凑性。
附图说明
图1是本发明第一个实例的紧凑式模阶数转换器的结构示意图。
图2是本发明第一个实例的硅基槽式波导结构的截面示意图。
图3是本发明第一个实例中输入波导的光信号的Ey模场分布图。
图4是本发明第一个实例中第一输出波导的光信号的Ey模场分布图。
图5是本发明第一个实例中第二输出波导的光信号的Ey模场分布图。
图6是本发明第一个实例中整个器件传输过程中的光信号的Ey模场分布图。
图中，1–输入波导，2–第一输出波导，3–第二弯曲波导，4–第一锥形波导，5–第二锥形波导，6–第三锥形波导，7–二次锥形波导，8–SiO2包层，9–Si上覆层，10–芯层，11–Si下覆层，12–缓冲层，13–硅衬底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器，包括用于输入光信号的输入波导1，两个输出波导，分别为第一输出波导2和第二输出波导3，三个线性锥形波导，分别为第一锥形波导4、第二锥形波导5和第三锥形波导6，一个多模干涉耦合器7；输入波导1通过第一锥形波导4与多模干涉耦合器7连接，第一输出波导2通过第二锥形波导5与多模干涉耦合器7连接，第二输出波导3通过第三锥形波导6与多模干涉耦合器7连接；
其中，光信号从输入波导1输入，通过第一锥形波导4，进入多模干涉耦合器7，基于多模干涉效应，光信号经过多模干涉耦合器7，发生自成像效应；将多模干涉成像的光信号，分别经过第二锥形波导5和第三锥形波导6，从第一输出波导2和第二输出波导3输出，实现光信号模阶数转换的功能。
输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3均为槽式波导结构，其宽度选自模阶数限制的波导宽度。输入波导1(宽度w1)对应于准TM01模式，第一输出波导2(宽度w2)对应于准TM02模式，第二输出波导3(宽度w3)对应于准TM03模式。
第一锥形波导4、第二锥形波导5和第三锥形波导6均为线性锥形结构；多模干涉耦合器7为二次锥形波导结构；并且第一锥形波导4、第二锥形波导5、第三锥形波导6、多模干涉耦合器7组成的整个波导为硅基槽式波导结构。
如图2，多模干涉耦合器7包括硅衬底13，硅衬底13上设置有缓冲层12，缓冲层12上依次设置有Si下覆层11、芯层10和Si上覆层9，所述下覆层11、芯层10和Si上覆层9外包裹有SiO2包层8。其中，SiO2包层8的折射率为1.46，Si上覆层9的折射率为3.48，芯层10的折射率为1.58，Si下覆层11的折射率为3.48。
器件选用槽式波导作为基本结构，光信号可以在该波导中被高效引导传输。该波导结构使我们获得很高的电场强度，其主要电场分量是Ey，即准TM模。这些被引导的模式是通过全内反射限制于波导内，因此没有约束损耗，该槽式波导结构提高了自成像效应的质量。这种特性可以使基于硅光子集成的模阶数转换器，具有高的转换效率与低的损耗；锥形结构设计，减小器件长度，紧凑性好；用于连接输入输出波导的第一锥形波导4、第二锥形波导5和第三锥形波导6，利用了干涉自成像效应，能大大缩小转换器的长度，使器件小型化，并且减小了插入损耗；用于多模干涉耦合的二次锥形波导，利用其二次曲线的结构特点，能大大减小多模干涉自成像效应的长度，从而减小转换器的尺寸，提高转换器的集成度。输入波导1与第一输出波导2、第二输出波导3的模态变化，即可反映出模式的变化情况，转换效率高。
基于槽式的紧凑式模阶数转换器，其基本结构为槽式波导，由于在垂直方向的高折射率差，导致电场强度E的显著提高：
其中，nf为上下覆层的折射率，ns为芯层的折射率，nc为包层的有效折射率。
转换器的主要转换器件由一条单模输入波导、三条线性锥形波导、一条二次锥形波导、和两条单模输出波导。其中，第一锥形波导4的形状设计为线性锥形结构，通过合理设计锥形结构的相关参数，能够大大减小输入波导中的光模进入二次锥形波导时的插入损耗，能有效减少辐射模。第二锥形波导5、第三锥形波导6的形状设计为线性锥形结构，通过合理设计锥形结构的相关参数，能够大大减小二次锥形波导中的光模进入输出波导时的插入损耗，能有效减少辐射模，同时有效减小输出波导的宽度，避免出现更高阶干扰模。
其中第一锥形波导4、第二锥形波导5、第三锥形波导6的形状设计为线性锥形结构，通过合理设计锥形结构的相关参数能够成功有效减少插入损耗。合理设计线性锥形波导，从而使得转换器更趋于小型化、易集成。设计线性锥形波导符合线性锥形结构：
其中，αi是线性锥形波导的直径，w1,w2,w3是输入输出波导的宽度，w4,w5,w6是输入输出二次锥形波导的光模的宽度，L是锥形波导的长度。z是光的传输方向。通过仿真结果证明，锥形波导的长度与直径设计足够长以保证传输效率达到90％以上。
其中，多模干涉耦合波导7的形状设计为二次锥形结构，二次锥形结构是利用二次方抛物线函数设计而成的MMI区域，其表达式为x2＝w0+A×z2(-LMMI/2≤z≤LMMI/2)，其中x，z，A，LMMI，w0分别为MMI区域的纵向坐标，横向坐标(传播方向)，结构系数(与抛物线形状相关)，长度与最窄处宽度(即z＝0时MMI区域的宽度)。通过合理设计二次锥形结构的相关参数：结构系数A与最窄处宽度w0，能够成功有效减少多模干涉耦合波导的长度。合理设计二次锥形波导，从而使得转换器更趋于小型化、易集成。设计多模干涉耦合波导符合二次锥形结构：
其中，neff是有效折射率，Weq是多模干涉耦合器的有效宽度，包括多模干涉耦合器的几何宽度与模式渗入覆层，λ0是真空中的波长。对于一个直多模干涉耦合器，输入光场的单个像每隔3Lπ重复。因此，二次锥形结构，通过减小有效宽度Weq，实现减小多模干涉耦合器的长度，使得转换器的尺寸更加紧凑。通过仿真结果证明，二次锥形波导的宽度设计以保证比传统直多模干涉耦合器更短的长度。
本发明结构用线性锥形波导作为模阶数转换器的部件，组成光模输入输出连接器，则波导的器件转换效率提高，插入损耗减小且并没有表现出不良现象。
本发明结构用二次锥形波导作为模阶数转换器的核心部件，多模干涉耦合器，则波导的器件长度有效减少，传输损耗减小且并没有表现出不良现象。
单模光信号准TM01从输入波导1输入，在二次锥形波导区域发生多模干涉，沿着二次锥形波导传播，模阶数发生变化，并在通过两个线性锥形波导时，将准TM02与准TM03输出。模阶数转换的对应关系为准TM01->准TM02与准TM01->准TM03，转换后的模式受到输出波导的约束，从第一输出波导2输出单模信号准TM02，从第二输出波导3输出单模信号准TM03。
图3是本发明第一个实例中输入波导1的光信号的Ey模场分布图。图4是本发明第一个实例中第一输出波导2的光信号的Ey模场分布图。图5是本发明第一个实例中第二输出波导3的光信号的Ey模场分布图。图6是本发明第一个实例中整个器件传输过程中的光信号的Ey模场分布图。以上数据表明本发明的具有优良的模阶数转换效率，以及较少的光功率损耗。
单模转换器件具有带宽高、转换效率高、尺寸紧凑等优点，但是，一般地由于低折射率差材料的低约束性及转换的长度的要求，多模干涉器件的长度值会达到毫米甚至厘米级别，对于制作紧凑型传感器非常不利。所以本发明基于设计方案的理论支持，提出了减少器件长度与减少辐射模的优化设计：使用槽式波导与锥形结构作为转换器的部件。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器，其特征在于：包括用于输入光信号的输入波导(1)，两个输出波导，分别为第一输出波导(2)和第二输出波导(3)，三个线性锥形波导，分别为第一锥形波导(4)、第二锥形波导(5)和第三锥形波导(6)，一个多模干涉耦合器(7)；所述输入波导(1)通过第一锥形波导(4)与多模干涉耦合器(7)连接，第一输出波导(2)通过第二锥形波导(5)与多模干涉耦合器(7)连接，第二输出波导(3)通过第三锥形波导(6)与多模干涉耦合器(7)连接；所述输入波导(1)、第一输出波导(2)和第二输出波导(3)均为槽式波导结构，其宽度选自模阶数限制的波导宽度，输入波导(1)的宽度w1对应于准TM01模式，第一输出波导(2)的宽度w2对应于准TM02模式，第二输出波导(3)的宽度w3对应于准TM03模式；所述第一锥形波导(4)、第二锥形波导(5)和第三锥形波导(6)均为线性锥形结构；所述多模干涉耦合器(7)为二次锥形波导结构；并且第一锥形波导(4)、第二锥形波导(5)、第三锥形波导(6)、多模干涉耦合器(7)组成的整个波导为硅基槽式波导结构；
其中，光信号从输入波导(1)输入，通过第一锥形波导(4)，进入多模干涉耦合器(7)，基于多模干涉效应，光信号经过多模干涉耦合器(7)，发生自成像效应；将多模干涉成像的光信号，分别经过第二锥形波导(5)和第三锥形波导(6)，从第一输出波导(2)和第二输出波导(3)输出，实现光信号模阶数转换的功能；
单模光信号准TM01从输入波导(1)输入，在二次锥形波导区域发生多模干涉，沿着二次锥形波导传播，模阶数发生变化，并在通过两个线性锥形波导时，将准TM02与准TM03输出；模阶数转换的对应关系为准TM01->准TM02与准TM01->准TM03，转换后的模式受到输出波导的约束，从第一输出波导(2)输出单模信号准TM02，从第二输出波导(3)输出单模信号准TM03。
2.根据权利要求1所述的基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器，其特征在于：所述多模干涉耦合器(7)包括硅衬底(13)，所述硅衬底(13)上设置有缓冲层(12)，缓冲层(12)上依次设置有Si下覆层(11)、芯层(10)和Si上覆层(9)，所述下覆层(11)、芯层(10)和Si上覆层(9)外包裹有SiO2包层(8)。
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