CN110568555B - 一种亚波长多模y分支波导 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光子器件领域，提供了一种亚波长多模Y分支波导，旨在解决基于现有光刻工艺分支波导最小间隙宽度不为零，导致模式失配的问题。亚波长多模Y分支波导包括一条输入主干波导和两条最小间隙宽度不为零的输出分支波导，输入主干波导包括相连的直波导和啁啾的亚波长狭缝波导，输出分支波导包括两条S型波导。在主干波导引入一段啁啾的狭缝结构，狭缝结构由N段不同的一维亚波长光栅组成。通过优化设计这N段亚波长光栅的等效宽度或等效材料折射率，可以等效实现间隙宽度从零绝热渐变的分支波导，从而解决了模式失配问题，减小了器件的额外损耗和串扰，提升了多模Y分支波导的性能。

Description

一种亚波长多模Y分支波导
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种亚波长多模Y分支波导。
背景技术
模分复用是继波分复用之后最受关注的新兴复用技术，有望通过引入多个正交模式以显著提升单波长通信容量。对于模分复用系统，由于包含了多个模式，相关光子集成器件的设计更为复杂，需同时考虑基模和高阶模，因而也需要研究用于多模光互连链路的多模光子器件。鉴于硅光子学具有CMOS兼容性而备受关注，硅基多模光子集成器件研究成为新的热点。多模Y分支波导由于其简单灵活的模式和功率操纵能力，在硅基多模光子集成方面有广泛应用场景，如模式转换、模式合成、模式分束和多模交叉连接、模式复用/解复用以及偏振分束/旋转等。多模Y分支波导按其几何结构的不同可以分为对称型和非对称型。
如图1，理想的绝热Y分支波导结构包括依次相连的一条输入波导1和两条最小间隙宽度W为零的S型输出波导2。理论上，如果分支波导能够从零间隙宽度开始逐渐分离，则可获得最大的耦合功率，分支损耗最小。然而，由于现有光刻工艺精度的限制，这种理想的为零的间隙宽度在实际器件中难以实现，这将引起较大的额外损耗和串扰。为了克服上述问题，相关研究人员提出了基于非对称定向耦合器(ADC)、锥形定向耦合器(TDC)和绝热耦合器(AC)的多模Y分支结构。尽管可以避免常规Y分支中的零间隙宽度，但由于基于ADC的设计需要精确的耦合长度和强度控制、基于TDC的设计由于尺寸较大不易于扩展支持多个模式以及基于AC的设计存在需要上百微米甚至毫米长度实现绝热耦合使得工艺集成困难等缺陷，导致多模Y分支在实际应用当中仍然受限。总体而言目前还没有一种比较好的方案实现多模Y分支波导。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种亚波长多模Y分支波导，旨在解决基于现有光刻工艺中常规多模Y分支波导在最小间隙宽度无法为零而导致的模式失配问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种亚波长多模Y分支波导，包括一条输入主干波导和两条输出分支波导，所述主干波导包括相连的直波导和啁啾的亚波长狭缝波导；所述啁啾的亚波长狭缝结构包括多段等效狭缝宽度依次渐变的一维亚波长光栅。
优选地，每段一维亚波长光栅由圆孔或者方孔组成。
优选地，每条输出分支波导为S型波导，两条输出分支波导的最小间隙宽度为一非零值。
优选地，两条输出分支波导为对称分布或非对称分布。
优选地，该波导利用标准硅基制造工艺在单个SOI基片上刻蚀完成。
优选地，输入主干波导宽度为1.84μm；每条输出分支波导的宽度为0.9μm，长度为25μm，输出末端间距为1μm；两条输出分支波导的最小间隙宽度为40nm。
进一步地，所述亚波长狭缝结构由从右至左1～N段参数不同的一维亚波长光栅组成，每段一维亚波长光栅由圆孔组成，其半径和周期分别为Ri和Λi，i＝1,2,…,N，其中，所述一维亚波长光栅的参数采用如下步骤确定：
步骤1、预设R1，令TE0模在基于第一段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率与在狭缝宽度为最小间隙宽度的狭缝波导匹配，确定Λ1；
步骤2、在器件加工条件的容许范围内取最小值RN，令TE0模在第N段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率与在主干波导的直波导匹配，确定ΛN；
步骤3、将其余亚波长光栅划分为两个区域I和II，根据以下公式确定其余亚波长光栅的参数(Ri,Λi)：
Figure BDA0002197887000000031
Figure BDA0002197887000000032
其中第1～m段一维亚波长光栅为区域I，第(m+1)～N段一维亚波长光栅为区域II，ΔΛ为周期渐变参数，ΔR为半径渐变参数。
优选地，所述N段一维亚波长光栅参数为R1＝45nm，Λ1＝120nm，RN＝20nm，ΛN＝260nm，ΔΛ＝10nm，ΔR＝5nm，m＝15，N＝20。
本发明所提出的亚波长多模Y分支，利用亚波长光栅结构在亚波长尺寸内的等效宽度和折射率调控，可以进行折射率人为剪裁，等效实现间隙宽度从零绝热渐变的分支波导，从根本上解决了基于现有光刻技术分支波导最小间隙宽度不为零而导致的模式失配问题，具备超低额外损耗和串扰；此外，本发明提供的多模弯曲波导的器件工作带宽在1530nm～1570nm，可支持C波段通信传输。
附图说明
图1是理想绝热多模对称Y分支波导的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的亚波长绝热多模对称Y分支波导的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的Y分支的TE0模的额外损耗和串扰；
图3(b)是本发明实施例提供的Y分支的TE1模的额外损耗和串扰；
图3(c)是本发明实施例提供的Y分支的TE2模的额外损耗和串扰；
图3(d)是本发明实施例提供的Y分支的TE3模的额外损耗和串扰；
附图标记为：1-输入主干波导，2-输出分支波导，3-啁啾狭缝波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
如图2，以一种亚波长绝热四模对称Y分支波导为例，只考虑TE0/TE1/TE2/TE3模式：包括一条输入主干波导1和两条对称输出分支波导2。其中，主干波导包括相连接的直波导和啁啾狭缝波导3。输入主干波导宽度为1.84μm，该取值为支持四个TE模式的硅基波导宽度。输出分支波导为对称的两条S型波导，宽度为0.9μm，该取值为支持两个TE模式的硅基波导宽度，长度为25μm，输出末端间距为1μm。两条输出分支波导的最小间隙宽度为wgap＝40nm。
上述啁啾的亚波长狭缝结构由从右至左1～N段参数不同的一维亚波长光栅组成，其中N为正整数。每段一维亚波长光栅由圆孔单元组成，其半径和周期分别为Ri和Λi(i＝1,2,…,N)。每段一维亚波长光栅可以等效为均匀狭缝结构，狭缝结构的等效宽度为
Figure BDA0002197887000000051
等效材料折射率为：
Figure BDA0002197887000000052
其中nH和nL分别是波导和包层材料折射率，f是亚波长光栅占空比，定义为
Figure BDA0002197887000000053
通过优化设计每个圆孔单元的周期和半径，可以使得狭缝结构从其与直波导的连接处到端部这一段的等效宽度或折射率缓慢变化，以满足绝热渐变条件。
另一方面，基于上述波导，具体介绍上述N段一维亚波长光栅的参数获取方法，包括：
步骤1：获取第一段亚波长光栅的参数(R1,Λ1)
由于不为零的间隙宽度主要导致偶对称模式的模式失配，所以绝热渐变条件只需针对偶对称模式设计，以TE0为例进行说明。根据绝热渐变条件，TE0在第一段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率应当与在狭缝宽度为wgap的狭缝波导匹配。由于wgap已知，TE0在狭缝宽度为wgap的狭缝波导有效折射率可以确定，再结合预先设定的R1，即可计算出参数Λ1。
步骤2：获取第N段亚波长光栅的参数(RN,ΛN)
根据绝热渐变条件，TE0在第N段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率应该与主干波导的直波导的模式有效折射率匹配。同时，为了满足上述条件，理论上RN还应设置得尽量小。同时考虑到器件加工时EBL过程存在精度和时间成本等方面的限制，于是在该加工条件容许范围内取最小值RN＝20nm。此外，周期ΛN的取值还需满足亚波长工作条件，圆孔单元的周期上限应小于最小工作布拉格波长，即Λ<Λupper＝λmin/(2·nBloch)，其中λmin为最小工作波长，nBloch为Bloch基模有效折射率。综合上述绝热渐变条件及亚波长工作条件，从而最终确定ΛN。
步骤3：获取其余亚波长光栅的参数(Ri,Λi)
根据绝热渐变条件，剩余亚波长光栅参数应在第一段和第N段参数之间缓慢渐变，考虑到器件加工时EBL过程和仿真设计过程的精度限制及时间成本，剩余亚波长光栅的参数分成两个区域I和II设计。参数(Ri,Λi)均可由以下公式表示：
Figure BDA0002197887000000071
Figure BDA0002197887000000072
其中，区域I为第1～m段一维亚波长光栅，区域II为第(m+1)～N段一维亚波长光栅，ΔΛ为周期渐变参数，ΔR为半径渐变参数。根据前两步确定的R1和RN，即可通过上述公式计算ΔR，继而确定ΔΛ，从而确定其余的亚波长光栅的参数(Ri,Λi)。
在本实施例中，N段一维亚波长光栅参数具体为：R1＝45nm，Λ1＝120nm，RN＝20nm，ΛN＝260nm，ΔΛ＝10nm，ΔR＝5nm，m＝15，N＝20。
至此，该器件由标准的硅基制造工艺在单个SOI基片上一步刻蚀完成，波导厚度为220nm，氧化掩埋层厚度为2000nm，氧化物包层厚度为1200nm。对应于实施例的样片，各个模式的输出额外损耗和串扰测试结果如图3(a)至(d)所示，在1530nm～1570nm波段内多模对称Y分支波导的各模式的插入损耗均小于0.5dB，串扰小于-20dB，两条输出分支波导不平衡性小于0.15dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种亚波长多模Y分支波导，包括一条输入主干波导和两条输出分支波导，其特征在于，所述主干波导包括相连的直波导和具有啁啾的亚波长狭缝结构的波导；所述啁啾的亚波长狭缝结构包括多段等效狭缝宽度或等效材料折射率依次渐变的一维亚波长光栅；
所述亚波长狭缝结构由从右至左1～N段参数不同的一维亚波长光栅组成，每段一维亚波长光栅由圆孔组成，其半径和周期分别为Ri和Λi，其中i＝1,2,…,N；所述一维亚波长光栅的参数采用如下步骤确定：
步骤1、预设R1，令TE0模在基于第一段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率与在狭缝宽度为最小间隙宽度的狭缝波导匹配，确定Λ1；
步骤2、在器件加工条件的容许范围内取最小值RN，令TE0模在第N段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率与在主干波导的直波导匹配，确定ΛN；
步骤3、将其余亚波长光栅划分为两个区域I和II，根据以下公式确定其余亚波长光栅的参数(Ri,Λi)：
Figure FDA0002701851470000011
Figure FDA0002701851470000012
其中第1～m段一维亚波长光栅为区域I，第(m+1)～N段一维亚波长光栅为区域II，ΔΛ为周期渐变参数，ΔR为半径渐变参数。
2.根据权利要求1所述的亚波长多模Y分支波导，其特征在于，两条输出分支波导为S型波导，两条输出分支波导的最小间隙宽度为一非零值。
3.根据权利要求2所述的亚波长多模Y分支波导，其特征在于，两条输出分支波导为对称分布或非对称分布。
4.根据权利要求1所述的亚波长多模Y分支波导，其特征在于，该波导利用标准硅基制造工艺在单个SOI基片上刻蚀完成。
5.根据权利要求1所述的亚波长多模Y分支波导，其特征在于，输入主干波导宽度为1.84μm；两条输出分支波导的宽度为0.9μm，长度为25μm，输出末端间距为1μm；两条输出分支波导的最小间隙宽度为40nm。
6.根据权利要求1所述的亚波长多模Y分支波导，其特征在于，所述N段一维亚波长光栅参数为R1＝45nm，Λ1＝120nm，RN＝20nm，ΛN＝260nm，ΔΛ＝10nm，ΔR＝5nm，m＝15，N＝20。
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