CN109445026B - 基于等离子体结构的模式转换及复用器 - Google Patents

基于等离子体结构的模式转换及复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体结构的模式转换及复用器，涉及光通信的集成光学领域，包括：二氧化硅基底。金属层，其沉积在二氧化硅基底上。聚合物波导层，其沉积在金属层上，包括，第一耦合波导，其包括第一输入端和第一输出端。第一输入波导，其与第一输入端相连。第一输入耦合器，其设置在第一输入波导上。第二耦合波导，其与第一耦合波导间隔设置，包括第二输入端和第二输出端。第二输入波导，其与第二输入端相连。第二输入耦合器，其设置在第二输入波导上。宽波导，其与第二输出端相连，用于传输从第一耦合波导中转换成模式为高阶模的光和第二耦合波导内模式为基模的光。本发明中的基于等离子体结构的模式转换及复用器尺寸小，工作范围宽。

Description

基于等离子体结构的模式转换及复用器
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，具体涉及一种基于等离子体结构的模式转换及复用器。
背景技术
近年来，多级调制格式、相干载波复用如正交频分复用、模式复用已经是光通信系统和片上光互连中提高容量的有效方法，尤其是模分复用能给光纤和片上光网络提供新的自由度，因此模分复用在光源数量有限的情况下能用来增加互连通道。
自由空间光型的模分复用、熔融光纤型的模分复用、和基于硅基的模分复用器在光通信上都有一些研究，自由空间光型的模分复用器由于尺寸大、结构复杂、难调节，因此不太适合于高阶模式的复用，因为模式越高结构越复杂。熔融型光纤基于等离子体结构的模式转换及复用器适合于光纤通信系统，但难以在集成光电子上适用。然而，集成光电子是未来光通信系统的趋势。
但是现有的硅基模分复用器存在尺寸较大，耦合区长度较长，且工作范围也较窄的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于等离子体结构的模式转换及复用器，其尺寸小，且工作范围宽。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于等离子体结构的模式转换及复用器，包括：
二氧化硅基底；
金属层，其沉积在所述二氧化硅基底上；以及
聚合物波导层，其沉积在所述金属层上，所述聚合物波导层包括，
-第一耦合波导，其包括第一输入端和第一输出端，所述第一耦合波导的宽度沿着所述第一输入端到第一输出端的方向逐渐减小；
-第一输入波导，其与所述第一输入端相连；
-第一输入耦合器，其设置在所述第一输入波导上，所述第一输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模的光，再由所述第一输入波导传输至所述第一耦合波导；
-第二耦合波导，其与所述第一耦合波导间隔设置，所述第二耦合波导包括第二输入端和第二输出端，所述第二耦合波导的宽度沿着所述第二输入端到第二输出端的方向逐渐变大；且所述第二耦合波导与所述第一耦合波导形成的耦合区用于将所述第一耦合波导内模式为基模的光转换成模式为高阶模的光；
-第二输入波导，其与所述第二输入端相连；
-第二输入耦合器，其设置在所述第二输入波导上，所述第二输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模的光，再由所述第二输入波导传输至所述第二耦合波导；
-宽波导，其与所述第二输出端相连，所述宽波导用于传输从所述第一耦合波导中转换成模式为高阶模的光以及所述第二耦合波导内模式为基模的光。
在上述技术方案的基础上，所述第一耦合波导为锥形波导，所述第一耦合波导的宽度从W4逐渐减小至W3，所述W4的范围为300nm～900nm，所述W3的范围为100nm～600nm。
在上述技术方案的基础上，所述第二耦合波导为锥形波导，所述第二耦合波导的宽度从W2逐渐增加至W1，所述W2的范围为300nm～900nm，所述W1的范围为1000nm～1500nm。
在上述技术方案的基础上，其特征在于：所述宽波导的宽度范围为1000nm～1500nm。
在上述技术方案的基础上，所述第二耦合波导与所述第一耦合波导之间的间隔为0.05～0.5μm。
在上述技术方案的基础上，所述第二耦合波导与所述第一耦合波导形成的耦合区的长度为5～12μm。
在上述技术方案的基础上，所述第一输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光；所述第二耦合波导与所述第一耦合波导形成的耦合区用于将所述第一耦合波导内模式为基模TM0的光转换成模式为高阶模TM1的光；所述第二输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换及复用器还包括第一弯曲波导，所述第一输入波导通过所述第一弯曲波导与所述第一输入端相连。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换及复用器还包括第二弯曲波导和第一输出波导，所述第一输出波导通过所述第二弯曲波导与所述第一输出端相连。
在上述技术方案的基础上，所述第一输出波导的尾端设有斜面。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于等离子体结构的模式转换及复用器实现了通信波长下的等离子体结构模式转换和耦合。由于结合了基于锥形定向耦合器的结构和等离子体结构，因此带宽很宽，通过合理设置各个参数，可达几百nm的波长范围。由于等离子体结构中金属层与聚合物波导层折射率差相对较大，因此本发明中的模式转换及复用器的尺寸可以设计到很小，仅仅几微米，比硅基同样功能的器件尺寸小2个量级。
附图说明
图1为本发明实施例中基于等离子体结构的模式转换及复用器正视图的示意图；
图2为本发明实施例中聚合物波导层的俯视图；
图3为本发明实施例中基于等离子体结构的模式转换及复用器的耦合区的示意图；
图4为本发明实施例中从第一耦合波导中的TM0转换到第二耦合波导中的TM1仿真图；
图5为本发明实施例中第二耦合波导中的TM0保持TM0模式的仿真图；
图6为本发明实施例中的工作波长内的转换效率。
图中：1-第一耦合波导，101-第一输入端，102-第一输出端，2-第一输入波导，3-第一输入耦合器，4-第二耦合波导，401-第二输入端，402-第二输出端，5-第二输入波导，6-第二输入耦合器，7-宽波导，8-第一弯曲波导，9-第二弯曲波导，10-第一输出波导，1001-聚合物波导层，1002-金属层，1003-二氧化硅基底。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本申请中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件；当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与其它部件直接连接而不具有居间部件、也可以不与其它部件直接连接而具有居间部件。
参见图1所示，其为基于等离子体结构的模式转换及复用器的正视图，其包括聚合物波导层1001、金属层1002和二氧化硅基底1003。金属层1002沉积在二氧化硅基底1003上，聚合物波导层1001沉积在金属层1002上。其中，二氧化硅基底1003的厚度为50～200nm，折射率为1.4～2.0。金属层1002为金层，其厚度为50～200nm。聚合物波导层1001的厚度为350～700nm，折射率为1.2～2。由于等离子体结构中金属层1002与聚合物波导层1001折射率差相对较大，因此本实施例中的模式转换及复用器的尺寸可以设计到很小，仅仅几微米，比硅基同样功能的器件尺寸小2个量级。
参见图2所示，图2为本发明中聚合物波导层1001的结构示意图。其包括：第一耦合波导1、第一输入波导2、第一输入耦合器3、第二耦合波导4、第二输入波导5、第二输入耦合器6和宽波导7。
其中，第一耦合波导1包括第一输入端101和第一输出端102，第一耦合波导1的宽度沿着第一输入端101到第一输出端102的方向逐渐减小。优选的，第一耦合波导1为锥形波导，第一耦合波导1的宽度从W4逐渐减小至W3，其中W4的范围为300nm～900nm，W3的范围为100nm～600nm。
第一输入波导2，其与第一输入端101相连。第一输入耦合器3，其设置在第一输入波导2上，第一输入耦合器3用于将片外的激光耦合成模式为基模的光进入第一输入波导2，再由第一输入波导2传输至第一耦合波导1。第一输入耦合器3可以是光栅耦合器，也可以是端面耦合器。作为一种可选的实施方式，第一输入耦合器3用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光进入第一输入波导2。第一输入波导2的作用是传输经过第一输入耦合器3耦合进来的光，第一输入波导2支持1个模式即基模TM0，其波导宽度为300nm～900nm。
优选的，基于等离子体结构的模式转换及复用器还包括第一弯曲波导8，第一输入波导2通过第一弯曲波导8与第一输入端101相连。第一弯曲波导8的作用是将第一输入波导2传输过来的激光传输至第一耦合波导1，第一弯曲波导8的宽度与第一输入波导2的宽度一致，且波导宽度范围为300nm～900nm。
优选的，基于等离子体结构的模式转换及复用器还包括第二弯曲波导9和第一输出波导10，第一输出波导10通过第二弯曲波导9与第一输出端102相连。第二弯曲波导9的作用是将第一耦合波导1与第一输出波导10相连，将耦合波导模式转换剩余的能量从第一输出波导10输出。第一输出波导10的最优结构为带有斜面的尾端，作用是减少反射。
第二耦合波导4与第一耦合波导1间隔设置，第二耦合波导4包括第二输入端401和第二输出端402，第二耦合波导的宽度沿着第二输入端到第二输出端的方向逐渐变大。优选的，第二耦合波导4为锥形波导，第二耦合波导4的宽度从W2逐渐增加至W1，其中W2的范围为300nm～900nm，W1的范围为1000nm～1500nm。且第二耦合波导4与第一耦合波导1形成的耦合区用于将第一耦合波导1内模式为基模的光转换成模式为高阶模的光。优选的，耦合区的长度为5～12μm。作为一种可选的实施方式，第二耦合波导4与第一耦合波导1形成的耦合区用于将第一耦合波导1内模式为基模TM0的光转换成模式为高阶模TM1的光。
第二输入波导5，其与第二输入端401相连。第二输入耦合器6，其设置在第二输入波导5上，第二输入耦合器6用于将片外的激光耦合成模式为基模的光进入第二输入波导5，再由第二输入波导5传输至第一耦合波导4。第二输入耦合器6可以是光栅耦合器，也可以是端面耦合器。作为一种可选的实施方式，第二输入耦合器6用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光进入第二输入波导5。第二输入波导5的作用是传输经过第二输入耦合器6耦合进来的光，第二输入波导5支持1个模式即基模TM0，其波导宽度为300nm～900nm。
宽波导7，其与第二输出端402相连，宽波导7用于传输从第一耦合波导1中转换成模式为高阶模的光以及第二耦合波导4内模式为基模的光。宽波导7的作用是支持2个模式的传输，即支持从第一耦合波导1中转换而来的TM1和第二耦合波导4中的TM0，宽波导7的宽度范围为1000nm～1500nm，宽波导7的宽度与W1保持一致。
下面简述本发明中的原理：
耦合区结构如图3所示。根据耦合模理论，当两个介质波导靠的很近时，由于消逝场的作用，会发生两个波导之间的能量交换，即一个波导中的光能转移到另一个波导中去的现象。两个参与耦合的光波导可以是同种类型的，也可以是不同类型的。当两个波导的结构差异很大时，能量的交换往往不对等，通常是一个波导的光向另一个波导耦合。如图3所示的耦合区，第一耦合波导1和第二耦合波导4的尺寸需要合理设计，使得第一耦合波导1的基本横向磁模(TM0)的有效折射率变化等于第二耦合波导4的一阶横向磁模(TM1)的折射率变化。即需要满足相位匹配条件，两个波导之间将发生强模式转换和耦合。当光在第一耦合波导1和第二耦合波导4形成的耦合区发生模式转换作用后，由于第一耦合波导1和第二耦合波导4的结构不同，存在于第一耦合波导1中的基模光TM0通过模式耦合作用转换成TM1高阶模，而存在于第二耦合波导4中的基模光TM0仍然是TM0，与转换来的TM1共同传输。如图4所示，第一耦合波导1中的基模光TM0通过模式耦合作用转换成TM1高阶模；而图5为存在于第二耦合波导4中的基模光TM0仍然是TM0，不发生模式转换。此外，TM0模与TM1模的有效折射率相差较大，因此模式转换和耦合可以在相对较小的尺寸内发生。此外，TM0&TM1模式转换器及复用器的长度也应当适当设计，否则转换后的TM1模式光将被转换回第一耦合波导1。
如图3所示，耦合区中的第一耦合波导1宽度从W4减小至W3，第二耦合波导4宽度从W2增加至W1，耦合区长度为L。设两个耦合波导之间的间隔为g。通过仿真发现，各个参数的最佳范围如下表所示：
g(μm) L(μm) W1(μm) W2(μm) W3(μm) W4(μm)
0.05～0.5 5～12 1.0～1.5 0.3～0.9 0.1～0.6 0.3～0.9
通过计算，如图6所示，当波长范围在1300nm～1700nm内时，即工作范围的带宽高达400nm，模式转换效率基本在80％附近，很好的满足了目前的需求。
综上，本发明针对现有模式转换和耦合器的缺陷，基于等离子体结构提出了一种紧凑、宽带的模式转换及复用器，实现了通信波长下的等离子体结构模式转换和耦合。由于结合了基于锥形定向耦合器的结构和等离子体结构，因此带宽很宽，通过合理设置各个参数，可达几百nm的波长范围。由于等离子体结构中金属层1002与聚合物波导层1001折射率差相对较大，因此本实施例中的模式转换及复用器的尺寸可以设计到很小，仅仅几微米，比硅基同样功能的器件尺寸小2个量级。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于等离子体结构的模式转换及复用器，其特征在于，包括：
二氧化硅基底；
金属层，其沉积在所述二氧化硅基底上；以及
聚合物波导层，其沉积在所述金属层上，所述聚合物波导层包括，
-第一耦合波导，其包括第一输入端和第一输出端，所述第一耦合波导的宽度沿着所述第一输入端到第一输出端的方向逐渐减小；
-第一输入波导，其与所述第一输入端相连；
-第一输入耦合器，其设置在所述第一输入波导上，所述第一输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光，再由所述第一输入波导传输至所述第一耦合波导；
-第二耦合波导，其与所述第一耦合波导间隔设置，所述第二耦合波导包括第二输入端和第二输出端，所述第二耦合波导的宽度沿着所述第二输入端到第二输出端的方向逐渐变大；且所述第二耦合波导与所述第一耦合波导形成的耦合区用于将所述第一耦合波导内模式为基模TM0的光转换成模式为高阶模TM1的光；
-第二输入波导，其与所述第二输入端相连；
-第二输入耦合器，其设置在所述第二输入波导上，所述第二输入耦合器用于将片外的激光耦合成模式为基模TM0的光，再由所述第二输入波导传输至所述第二耦合波导；
-宽波导，其与所述第二输出端相连，所述宽波导用于传输从所述第一耦合波导中转换成模式为高阶模TM1的光以及所述第二耦合波导内模式为基模TM0的光；
所述第一耦合波导为锥形波导，所述第一耦合波导的宽度从W4逐渐减小至W3，所述W4的范围为300nm～900nm，所述W3的范围为100nm～600nm；
所述第二耦合波导为锥形波导，所述第二耦合波导的宽度从W2逐渐增加至W1，所述W2的范围为300nm～900nm，所述W1的范围为1000nm～1500nm；
所述第二耦合波导与所述第一耦合波导之间的间隔为0.05～0.5μm；
所述第二耦合波导与所述第一耦合波导形成的耦合区的长度为5～12μm；
所述模式转换及复用器还包括第一弯曲波导，所述第一输入波导通过所述第一弯曲波导与所述第一输入端相连；所述第一弯曲波导用于将所述第一输入波导传输过来的激光传输至所述第一耦合波导；
所述模式转换及复用器还包括第二弯曲波导和第一输出波导，所述第一输出波导通过所述第二弯曲波导与所述第一输出端相连；所述第二弯曲波导用于将耦合波导模式转换剩余的能量从所述第一输出波导输出。
2.如权利要求1所述的基于等离子体结构的模式转换及复用器，其特征在于：所述宽波导的宽度范围为1000nm～1500nm。
3.如权利要求1所述的基于等离子体结构的模式转换及复用器，其特征在于：所述第一输出波导的尾端设有斜面。
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