CN110770616A - 基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器 - Google Patents

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Abstract

光束转换器包括：锥形耦合器结构，其结构宽度是变化的；集成非球面半透镜结构，其直边近端与所述锥形耦合器结构的远端相邻，并与之直接接触；凸形半透镜结构，其弯曲的近端与所述集成非球面半透镜结构的弯曲远端直接接触。

Description

基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器
与相关申请的交叉引用
本申请按照美国专利法35U.S.C§119(e)向于2017年4月11日提出的申请号为62/484,185的临时专利申请和于2017年2月27日提出的申请号为62/463,941的临时专利申请声明优先权。本文的引用包含上述申请。
政府利益
根据美国国防高级研究计划局(DARPA)的批准号N66001-12-1-4246，本文公开的发明至少部分地在美国政府的支持下完成。因此，美国政府对本发明具有一定的权利。
领域
本文一般涉及光子(光学)器件。更具体地，本文涉及基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器。
背景
光子集成电路利用光而不是电子来实现各种光学性能，例如在芯片周围布线输送信息。纳米结构、超材料和硅技术的最新发展拓宽了高度集成光学芯片的功能范围。绝缘体上硅(SOI)中的光子集成电路(PICs)在高度集成和大规模的光子平台上具有巨大潜力。模式尺寸转换器可以在紧凑高效的PICs中得到多种应用。
大规模PICs作为一种很有前景的技术，可以在高性能计算系统和数据中心中实现大容量的光互连。由于和高可拓展、成熟的硅制造技术兼容，大规模PICs有潜力制造低成本、紧凑型的光学I/O芯片。而硅晶体在发光方面的固有缺陷，使高性能光源的集成成为硅基光学I/O芯片的主要挑战。Si/III-V混合激光器则是硅基I/O芯片上光源的很有潜力的替代品。为了实现倒装芯片键合配置的低损耗光学耦合，往往需要紧凑高效的模式尺寸转换器。尺寸转换器也可以集成到激光二极管中来减小光束的发散。光束转换器是集成光子学的重要组成部分。光束转换器是广泛用于匹配不同宽度的波导模式的光学装置，采用准直光束扩展其模式宽度(也可以聚焦光或缩小其模式宽度)。
简介
本解决方案提供了一种紧凑且低损耗的光束转换器。光束转换器包括一个宽度可变的锥形耦合器部分。光束转换器还包括集成非球面半透镜部分，其具有直边的近端和锥形耦合器部分的远端相邻。具有直边的近端与锥形耦合器部分的远端直接接触。光束转换器还包括凸半透镜部分，凸半透镜部分弯曲的近端与集成非球面半透镜部分的弯曲远端直接接触。
锥形耦合器部分包括抛物线锥形部分，抛物线锥形部分具有抛物线形状的横截面，并且接收来自光源的光。锥形耦合器部分还包括快速线性锥形部分，快速线性锥形部分的近端的第一宽度小于其远端的第二宽度。快速线性锥形部分的近端与抛物线锥形部分的直边相邻，并与抛物线锥形部分的直边直接接触。
在一些实施例中，凸半透镜部分具有直边的远端连接有波导，波导的宽度基本上与凸半透镜部分的远端宽度相同。在一些实施例中，锥形耦合器部分为非绝热锥形。
在一些实施例中，锥形耦合器部分、集成非球面半透镜部分和凸半透镜部分位于单个半导体材料层中。在一些实施例中，单个半导体材料层包括硅。
在一些实施例中，光束转换器包括二氧化硅层，并且单个半导体材料层位于二氧化硅层上。在一些实施例中，光束转换器还包括硅衬底层，并且二氧化硅层位于单个半导体材料层和硅衬底层之间。在一些实施例中，光束转换器还包括在单个半导体材料层的表面上的第二层二氧化硅层包层。
在一些实施例中，光束转换器的总长度小于或等于光波长的六倍左右。工作波长为1520nm至1570nm左右。在一些实施例中，光束转换器的波导宽度比为20：1左右。在一些实施例中，光束转换器在凸半透镜部分中至少产生具有类高斯强度分布的平面波前。
在一些实施例中，光从锥形耦合器部分耦合，并且在通过光束转换器之后光束宽度扩展。在一些实施例中，光从凸半透镜部分耦合，并且在通过光束转换器之后光束宽度缩小。
在一些实施例中，光束转换器在220nm的绝缘体上硅平台或260nm的绝缘体上硅平台上制成。在一些实施例中，抛物线锥形部分的长度为0.9μm至1μm左右，快速线性锥形部分的长度为3.61μm至4.54μm左右。在一些实施例中，抛物线锥形部分的宽度为1.7μm至1.776μm左右，快速线性锥形部分的宽度为3.3μm至3.725μm左右。在一些实施例中，凸半透镜部分的长度为0.78μm至1.03μm左右。在一些实施例中，凸形半透镜部分的远端宽度为10μm左右。
附图说明
本解决方案通过引用下述示意图来描述，其中数字符号标记示意图的所有组件。
图1(a)-(b)(统称为“图1”)为扩束器(BE)的示意图。图1(a)为BE的扫描电子显微照片。图1(b)为BE的各个不同部分示意图。
图2(a)-(b)(统称为“图2”)为BE的示意性结构图。
图3(a)为和1550nm波长下波导宽度比为20：1的BE设计相比，非绝热线形模式尺寸转换器和抛物线锥形模式尺寸转换器的传输效率图。图3(b)为BE和线性锥形模式尺寸转换器的透射和反射的比较图。图3(c)为BE的模拟透射光谱。
图4(a)-(d)(统称为“图4”)为BE和线性锥形模式尺寸转换器之间的比较图。图4(a)为BE的电场强度分布。图4(b)为线性锥形模式尺寸转换器的电场强度分布。图4(c)为BE的电场相位曲线。图4(d)为线性锥形模式尺寸转换器的电场相位曲线
图5(a)-(c)为通过散射矩阵计算得到的从输入波导进入五种不同均匀模式的TE0耦合比。图5(a)为BE，图5(b)为线性锥形模式尺寸转换器，图5(c)为54.2μm线性锥形模式尺寸转换器。图5(d)为波导端部处的电场分布。
图6(a)为子透镜结构中的三个不同点在垂直方向上的指向矢量积分，其中嵌入图为中心电场图。图6(b)为两个子透镜中心点之间的间隙间隔曲线，其中嵌入图为不同间隙间隔的薄膜的透射曲线。
图7(a)-(b)(统称为“图7”)为实验测量得到的不同模式下50nm带宽的平均插入损耗和误差线。图7(a)为BE，图7(b)为线性锥形模式尺寸转换器。
详细说明
本文中一般描述的和示意图中的实施例的组件可以按照不同的配置来布置和设计。因此，示意图中所展示的各种实施例中的下述更详细描述并非旨在限制本公开的范围，而是仅代表各种实施例。虽然示意图中展示了实施例的各个方面，但除非特别指出，否则示意图不一定是按比例绘制的。
在集成光子电路中，每个元件的设计中都希望能够降低材料、加工和封装成本。因此，基于硅基光子学的小型、大宽带模式尺寸转换器是一种很有前景的技术方案，特别适用于可扩展的高速片上/片外光学互连以及阵列波导光栅的波长复用/解复用。
模式尺寸转换器可以分为横向锥形模式尺寸转换器、垂直锥形模式尺寸转换器或者基于多模干涉(MMI)的模式尺寸转换器、分段锥形耦合器型或者光子晶体模式尺寸转换器。在横向锥形模式尺寸转换器中，波导层的宽度产生变化。尽管锥形易于制造，但上侧波导会有尖锐终止点，使得工艺过程复杂化。在垂直锥形模式尺寸转换器中，波导层的厚度产生变化，但是由于波导厚度的关键变化，垂直锥形模式尺寸转换器并没有被广泛使用。基于MMI激励若干模式的模式尺寸转换器的波导终止于多个模式的干涉产生的最大耦合处，虽然基于MMI的模式尺寸转换器的长度较短，但是其灵活性较差，只能实现有限光斑尺寸的扩展。分段锥形模式尺寸转换器与基于MMI的模式尺寸转换器类似，但是分段锥形模式尺寸转换器是对每段长度进行优化。虽然与MMI模式尺寸转换相比分段锥形模式尺寸转换器更灵活，但分段锥形模式尺寸转换器自身的扩展性有限且制造公差小。光子晶体模式尺寸转换器可以相对短而高效，但是其带宽较小。非绝热模式尺寸转换器已经在浅蚀刻透镜辅助聚焦锥形模型中有所研究，在20μm长的锥形中的TE模损耗约为1dB。使用遗传优化算法的模式尺寸转换器在锥形长度为15.4μm且波导宽度比为18.4：1下的损耗为1.4dB。最近，通过粒子群算法优化设计的分段逐步模式尺寸转换器在锥形长度为20μm且波导宽度比为24：1下的损耗为0.62dB。在优化设计中，将锥形长度分成数字化段，并尽可能地与端部波导耦合。转换光学方法也被用于设计无反射锥形。最近也已经展示了通过波导中的弯曲空间仿真实现波前塑形。
本解决方案一般涉及基于快速锥形和集成非球面半透镜结构的光学BE/聚焦器的设计。上述装置可以以非常短的波导长度(例如小于10μm)在波导宽度比大于20：1的两个平面硅波导间实现模式转换，比典型的绝热线性锥形缩短了一个数量级。值得注意的是，这是目前报道过的在波导宽度比为20：1下两个不同波导之间的最短锥形。本解决方案在整个C波段光谱上的插入损耗约为-0.65dB。可以通过结合半透镜结构并使用粒子群优化算法来找到最佳参数，继而能够校正波前变形并减少与高阶模式的耦合。
本解决方案涉及到片上/片外光学互连和波长复用/解复用装置、光学相控阵、空间光调制器等众多应用。本解决方案具有许多优点。例如，本解决方案减少了电器件的整体尺寸，节省了材料、加工和封装成本。
图1为BE 100的示意图。图1(a)显示了BE 100的扫描电镜图，图1(b)为BE 100的不同部分。如图1所示。如图1(b)所示，BE 100包括锥形耦合器部分110、集成的非球面半透镜部分120和凸形半透镜部分130。锥形耦合器部分110宽度可变。锥形耦合器部分110包括抛物线锥形耦合器部分112和高锥度的线性锥形耦合器部分115。抛物线锥形耦合器部分112具有抛物线形横截面形状，抛物线锥形耦合器部分112的近端113接收来自光源(未画出)的光。高锥度的线性锥形耦合器部分115的近端114的第一宽度小于其远端116的第二宽度。高锥度的线性锥形耦合器部分115的近端114与抛物线锥形耦合器部分112的直边113相邻，并与抛物线锥形耦合器部分112的直边113直接接触。集成非球面半透镜结构120包括邻近锥形耦合器部分110的远端116的直边近端122，直边近端122与锥形耦合器部分110的远端116直接接触。凸半透镜部分130包括弯曲的近端132，其与集成非球面半透镜部分120的弯曲的远端124直接接触。凸半透镜部分130的远端134耦合到波导140。
值得注意的是，锥形耦合器部分110、集成非球面半透镜结构120和凸半透镜部分130形成在单个半导体材料层中。在一些实施例中，单个半导体材料层包括硅。在一些场景中，BE 100的总长度为6λ0，传统锥形BE比其长20倍。因此与多层BE结构相比，BE拥有最低的制造成本，并且可以使用更紧凑的设备。而且，图4(c)为在凸透镜部分130中的具有类高斯强度分布的平面波前，如图4(d)为传统锥形BE中的弯曲波前。如图4(a)-(b)所示，与传统锥形BE相比，BE 100抑制了干涉效应。图4(a)为BE 100中的传播电场强度。图4(b)为传统锥形BE的传播电场强度，其中波纹代表干涉。
图2(a)为示例性BE 200的横截面。BE 200制造在SOI晶片202上。SOI晶片202包括作为衬底的硅层204以及二氧化硅层206。半导体材料层208在二氧化硅层206上。半导体材料层208可包括但不限于硅。BE图案形成在半导体材料层208中。在一些场景中，使用JEOLJBX-6300FS高分辨率电子束光刻系统，100kev下在120nm厚的XR-1541-006氢-倍半硅氧烷(HSQ)负性光刻胶上形成图案。通过Oxford Plasmalab 100ICP光刻机将图案208转移到硅层，利用HBr+Cl2气氛形成垂直平滑的侧壁。在一些场景中，BE 200包括另外一层二氧化硅层210，如图2所示，半导体材料层208位于两个二氧化硅层206和210之间。
在一些场景中，光从锥形侧耦合进入，通过光束转换器之后光束宽度扩展。在一些场景中，光从凸半透镜侧耦合，通过光束转换器之后光束宽度减小。
在一些场景中，本解决方案基于低插损(例如，-0.65dB)的锥形耦合器和集成非球面透镜结构的紧凑型低损耗BE。BE可以通过单独步骤图案和刻蚀工艺制造。引入品质因子来比较该模式尺寸转换器与其他类型的模式尺寸转换器。通过最大化基模耦合，同时最小化在几个波长的数量级的短距离内的高阶模式耦合来减小波前畸变。文中所提出的BE的品质因数为2.8，比其相应的线性锥形模式尺寸转换器的品质因子高5倍以上。该结构具有与光栅耦合器或阵列波导光栅结合的潜力。
BE是集成光子学的重要组成部分，广泛用于匹配不同宽度的波导模式。如果忽略过程中激发的高阶模式，通过某些锥形模式尺寸转换器，可以很容易地实现波导模式的光学功率从窄波导到宽波导的扩展。然而，许多应用要求在宽度转变之后光仍维持在最低阶模式。此外，近年来硅基光子学愈发向超紧凑型器件发展，要求能够在超短距离内实现上述可以维持模式的宽度扩展。
通常情况下，上述维持模式的宽度扩展需要低锥度的或绝热的锥形耦合器，其膨胀长度基本上大于终端波导宽度。如何令膨胀长度和终端宽度比达到1：1一直是研究的课题之一。可以使用低锥度的线性或抛物线锥形耦合器来耦合具有不同横截面和模式尺寸的光波导。然而，为了使损耗最小化并满足绝热锥度条件，上述锥形耦合器必须要足够长(例如，λ0＝1550时，Ltaper>70λ0)，大于低锥度抛物线锥形耦合器所满足的模式跳动长度。对于非绝热短锥形耦合器(例如，35λ0<Ltaper<70λ0)，来自基模的能量基本上被耦合到二阶模式。然而，在高锥度的锥形耦合器中，输入功率的一些部分不仅可以被耦合到二阶模式，而且可以耦合到甚至更高阶的模式。因此无论锥形的外部轮廓如何，插入损耗几乎都是指数地上涨。
1550nm下，图3(a)为具有线性、抛物线形、指数和高斯分布的高锥度锥形耦合器(例如，波导宽度比20：1)的插入损耗。可以看出，在非绝热状态下，与线性和指数锥形耦合器相比，抛物线锥形耦合器并不是有效的锥形。在非绝热锥形中，快速变化的侧壁引起多次散射并将光耦合到更高阶模式，降低了传递到基模的功率。该效应与锥形长度相关，并且与波长无关。
本解决方案中，可以通过具有与终端宽度相当的极短长度复合绝热和非绝热结构，来产生模式阶数恒定的波导膨胀。首先，要设计绝热模式宽度膨胀结构。该结构被分成多个段，每段宽度呈幂函数递减，并且段之间的界面连续，然后使用高级优化算法来确定在大的设计空间中具有最低损耗的优化结构。优化结构实际上打破了宽度连续性条件，由此产生了一种绝热和非绝热段混合的复合结构。这表明绝热结构本质上不能实现膨胀长度和最终端宽度比为1：1。而非绝热结构的引入不仅扩展了模式的宽度，还改变和校正了波前。
如上所述，本解决方案包含紧凑低损耗的BE，其波导宽长比在非常短的长度(例如，LBE≈6λ0)内大于20：1。BE结构由多个分段组成，其中每个分段具有平滑的曲率，在每个区段之间的边界处具有不连续性。在符合所选条件的最佳轮廓的数值探索后，选用高锥度锥形耦合器和半透镜的复合结构。当光束通过高锥度锥形耦合器时，由于侧壁的反射，光束波前会畸变。波前传播中的任何与理想形状的偏差可以称为散射。就波导模式而言，波前畸变理解为光被耦合到其他模式。因此，光束的改变被描述为基模和高阶模的叠加。校正波前波纹可以减少散射效应以及更高阶模式的耦合。为了优化结构，通过减少波前畸变来加大与端部波导的耦合，改善了波前的球形度并校正了像差。这种半透镜结构称被为非球面透镜。每个分段的几何形状由公式(1)定义：
Figure GDA0002330983000000071
其中wi、Li和mi是ith段的宽度、长度和曲率，不同曲率的分段可以形成线性、凸形或凹形侧壁。BE的设计中对6个分段进行了优化，对应于总共18个参数。利用进化PSO(粒子群优化)算法，通过三维有限差分时域(FDTD)仿真该结构。与其他方法(例如，结矩阵方法或遗传算法优化)相比，PSO算法在类Y型耦合器这类关键无源器件的仿真中具有很大优势。为了减少由于耦合到更高阶模式而导致的反向散射和损耗，通过计算1520nm-1570nm的50nm带宽的平均重叠积分，来优化传递到输出波导的TE基模的功率。可以在260nm SOI平台制造的BE设计参数如下表所示：
参数 数值(μm)
m<sub>1</sub>,m<sub>2</sub>,m<sub>3</sub>,m<sub>4</sub>,m<sub>5</sub>,m<sub>6</sub> 3,1.1,0.01,2,0.32,2.55
W<sub>1</sub>,W<sub>2</sub>,W<sub>3</sub>,W<sub>4</sub>,W<sub>5</sub>,W<sub>6</sub> 1.7,3.3,10.1,10,3.19,9
L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>,L<sub>3</sub>,L<sub>4</sub>,L<sub>5</sub>,L<sub>6</sub> 1.0,3.61,0.05,0.7,3.11,1.03
在仿真中，证明了-0.85dB的插入损耗对应0.5dB带宽为69nm。图3(b)中传输曲线在50nm带宽上几乎是平坦的。在上述设计中，BE的前50％部分被认为是高锥度锥形耦合器部分，其余部分被认为是半透镜的一部分。相同长度下的线性锥形耦合器对应的插入损耗为-5.5dB。与线性锥形耦合器相比，优化后BE的波前畸变的改善如图4中的Ey幅度和相位所示。如图4(a)所示，波纹振幅在传播过半透镜后减小，其中表示为平坦的波前。在图4(b)所示的线性锥形耦合器中，由于散射而产生更多的波纹，这些波纹通过传播进一步扩展，对应的相位图上具有更多的波纹，如图4(d)所示，表明光耦合到了更高阶模式。在非优化BE中，半透镜结构并不能有效地校正波前畸变，并且除了基模之外，光可以耦合到更高阶模式。
为了证明关键设计参数对BE性能的影响，子透镜(m4)和(w4)的宽度和曲率是变化的。为了维持子透镜的连续性，w3需要根据w4变化。计算表明透射光谱可以从45％变化到83％，这很大程度上取决于界面处的子透镜宽度。除了单个子透镜参数外，两个子透镜参数相关改变也会对BE性能造成影响。研究子透镜曲率(m5)和(m5)对BE性能的相关影响。将两个子透镜(m5)和(m5)的曲率从1变化到4使得子透镜从线性形状变为凸起形状。由于下述效应，通过增加透镜的两侧曲率可以提高传输率。首先，在非球面透镜中，减少背反射引起的散射和波前畸变有效地校正了波前。第二，如图6所示，增加曲率并减小子透镜之间的间隙，使更多光在两个子透镜之间耦合。如果BE参数设计不当，则轮廓会表现出一些曲率形态，并且一部分光将耦合到高阶模式。
对参数为L2、L3、w4和w5的BE来进行仿真，其中参数的10％和20％来自优化值。为了定性研究BE的高锥度锥形耦合器和半透镜结构，高锥度锥形耦合器被宽MMI波导取代。在上述条件下会产生很大的波前畸变，因此(a)半透镜部分无法矫正波前，从而令光耦合到更高阶模式，以及(b)BE的效率响应降低。
为了研究各种单模的耦合方式，基于散射矩阵来仿真模场传播。以TE基模为输入，考虑前四个高阶偶数模式TE2，TE4，TE5和TE8，其中TE0和奇数TE模式之间的重叠积分为零。如图5(a)所示的长度为6λ0的长线性锥形耦合器中，耦合到基模的能量很低，光几乎均匀地耦合到其他模式中。图5(b)为的长度为35λ0的长线性锥形耦合器中，大多数光被束缚在基模中，小于10％耦合为TE2模，耦合到所有其他模式的量可忽略不计。图5(c)为长度为6λ0的长BE，与长度为35λ0的长线性锥形耦合器具有相似的性能。图5(d)为上述三种情况的每一种的输出模式的叠加。定性地讲，耦合到每个模式的功率与重叠积分直接相关。因此，输出基模的大量重叠会增加整体的耦合效率。
在快速变化的侧壁锥形耦合器中，巨大的波前畸变无法使用菲涅耳或近轴近似-耦合模理论。取而代之，需要求解瑞利-索末菲衍射公式或无近似的完全矢量麦克斯韦方程。
在求解瑞利-索末菲衍射公式时，考虑了波印廷矢量积分以及透镜垂直方向的功率分布。如图6(a)所示，半透镜中光聚焦在其宽度的2.2λ0左右，适用于半透镜的不同部分。如图6(b)所示，在2.2λ0点处，两个子透镜的间隙宽度小于0.1λ0。计算的薄膜透射率约为80％，基于该透射率其对应宽度如图6(b)中的嵌入图所示。因此即使半透镜的最小宽度位于中心位置，仍有80％的光进入第二级子透镜，中心位置的电场分布如图6(a)的嵌入图所示。
如图6(a)所示，两个子透镜之间的间隙的确会增强反射，但两个子透镜之间的差异对模式传输的影响可以忽略。
HP 8168F可调谐激光器产生TE偏振光，通过单模光纤，耦合到亚波长光栅耦合器中，以测量透射光谱，所述亚波长光栅耦合器将光传递到平面硅波导中。
该装置的扫描电子显微镜图像如图1(a)所示。通过HP 8153光电探测器记录每个波长的透射率。无BEs的参考波导用于抵消其余所有耦合和传输损耗。多个BEs的插入损耗测量结果如图7(a)所示。图7(b)为用于比较的相同长度的线性锥形耦合器的测量结果。根据测量结果，BE的插损为-0.9dB，对应的线性锥形耦合器在50nm带宽内的平均插入损耗为-4.5dB。
为了比较BE与线性锥形耦合器以及其他设计的性能，引入归一化膨胀比(“NER”)作为品质因子，考虑锥形耦合器的长度、波导宽度和传输特性。理想的BE在两个不同波导之间以最短的长度可以保持大部分光学功率，相应具有大的宽度比。该品质因子由下述公式(3)定义，
Figure GDA0002330983000000101
其中Wout/Win是输出输入波导的宽度比，LTaper/λ0是相对于中心传输波长的归一化BE长度，Tavg是线性标度中的平均透射率。
根据不同模式转换器设计计算得到的NER如下表所示：
转换器设计 长度(μm) NER
分段阶梯式MSC 20 1.71
水平SSC 60 0.89
不规则模式转换器 20 1.89
透镜辅助 20 1.53
绝热锥形耦合器 120 0.3
线性耦合器 9.5 0.5
BE 9.5 2.8
从上面的讨论中可以明显看出，本解决方案涉及基于高锥度锥形耦合器和低插入损耗的集成非球面透镜结构的紧凑型低损耗(例如，-0.85dB，0.68dB)的BE。BE可以通过单独步骤图形化刻蚀工艺制造。引入的品质因子可以对BE与其他类型的模式尺寸转换结构进行比较。通过最大化耦合到基模，同时最小化在几个波长的数量级的短距离内的高阶模式耦合来减小波前畸变。文中所提出的BE的品质因子为2.8，比其对应的线性锥形耦合器高5倍以上。该结构具有与光栅耦合器或阵列波导光栅结合的潜力。
在另一个例子中，BE根据220nm SOI平台进行了优化，其具有图2(b)中所示的3μm埋氧化物(BOX)层和500nm二氧化硅顶部包层。最优设计的形状是基于图1(b)所示的进化PSO(粒子群优化)算法。BE结构包括多个分段，每个分段具有相应的曲率，分段的宽度沿x轴变化，如公式(4)中所定义：
Figure GDA0002330983000000102
其中wi、Li、mi是分段的宽度、长度和曲率。不同曲率(mi≥0以避免发散)的分段可以形成线性、凸形或凹形的锥形耦合器。在整个扩束器中宽度必须是连续的，但相邻段之间的曲率可以不同。
六个分段的长度、宽度和曲率的优化参数如下表所示：
参数 数值(μm)
m<sub>1</sub>,m<sub>2</sub>,m<sub>3</sub>,m<sub>4</sub>,m<sub>5</sub>,m<sub>6</sub> 3.00,0.95,0.01,2.00,0.32,0.86
W<sub>1</sub>,W<sub>2</sub>,W<sub>3</sub>,W<sub>4</sub>,W<sub>5</sub>,W<sub>6</sub> 0.50,1.776,3.725,9.00,3.20,10.00
L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>,L<sub>3</sub>,L<sub>4</sub>,L<sub>5</sub>,L<sub>6</sub> 0.90,4.54,0.02,0.86,2.92,0.78
使用3D有限差分时域(FDTD)进行仿真，仿真的透射光谱如图3(c)所示。c波段上的平均插入损耗为-0.65dB，比基于260nm SOI平台的BE小0.20dB。
在不脱离本发明的精神或基本特征的前提下，本解决方案可以以其他特定形式实施。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由权利要求而不是由详细描述表示。所有在权利要求的含义和等同范围内的变化都包含在其范围内。
在整个说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不意味着可以用本发明实现的所有特征和优点应该是或者在本发明的任何单个实施例中。而是，涉及特征和优点的语言被理解为意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定指代相同的实施例。
此外，本发明的所述特征、优点和特征可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。根据本文的描述，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实践本发明。在其他情况下，在某些实施例中可以认识到附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本发明的所有实施例中。
在整个说明书中对“一个实施例”，“实施例”或类似语言的引用意味着结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在整个说明书中的一个实施例，“在一个实施例中”和类似语言可以但不是必须全部指代相同的实施例。
除非上下文另有明确规定，否则本文件中使用的单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数形式。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与通常所理解的相同的含义。本领域普通技术人员在本文件中使用的术语“包含”表示“包括但不限于”。
术语“左右”是指本领域普通技术人员不认为与基础值与有所不同的一系列值。例如，术语“左右”可指代下述规定值20％，15％，10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％，0.5％，0.1％，0.05％或0.01％，以及介于规定值之间的数值。
根据本公开，无需过度实验即可制作和执行本文公开和要求保护的所有装置、方法和算法。虽然已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离概念、精神和发明范围的情况下，可以对该方法的装置、方法和步骤顺序进行变化。更具体地，可以将某些组分添加到、组合或替代本文所述的组件，同时可以实现相同或相似的结果。对于本领域普通技术人员显而易见的所有这些类似的替代和修改被认为是在所定义的本发明的精神、范围和概念之内。
上面公开的特征和功能以及替代方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员可以进行各种目前无法预料或未预料到的替代、修改、变化或改进，其也旨在被所公开的实施例所涵盖。

Claims (20)

1.一种光束转换器，包括：
锥形耦合器结构，其结构宽度是变化的；
集成非球面半透镜结构，其直边近端与所述锥形耦合器结构的远端相邻，并与之直接接触；凸形半透镜结构，其弯曲的近端与所述集成非球面半透镜结构的弯曲远端直接接触。
2.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述锥形耦合器结构包括：
抛物线形锥形部分，具有抛物线形横截面形状，并接收来自光源的光；
快速线性锥形部分，其近端的第一宽度小于远端的第二宽度，该近端与上述抛物线锥形部分的直边相邻，并与之直接接触。
3.根据权利要求1所述的光束转换器，其中，所述凸半透镜部分包括直边远端，所述直边远端连接到波导，所述波导的宽度基本上与所述凸半透镜部分的直边远端宽度相同。
4.根据权利要求1所述的光束转换器，其特征在于，锥形耦合器为非绝热锥形。
5.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述锥形耦合器、所述集成非球面半透镜结构和所述凸半透镜部分位于单个半导体材料层中。
6.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述单个半导体材料层包括硅。
7.根据权力要求5所述的光束转换器，还包括二氧化硅层，其中所述单个半导体材料层位于所述二氧化硅层上。
8.根据权力要求7所述的光束转换器，还包括硅衬底层，其中所述二氧化硅层堆叠在所述单个半导体材料层和所述硅衬底层之间。
9.根据权力要求7所述的光束转换器，还包括在所述单个半导体材料层的表面上的第二层二氧化硅层包层。
10.根据权利要求2所述的光束转换器，其中所述光束转换器的总长度小于或等于来自所述光源的光的波长六倍左右。
11.根据权利要求10所述的光束转换器，其中所述波长在1520nm-1570nm左右。
12.根据权力要求1所述的光束转换器，其波导宽度比为20：1左右。
13.根据权利要求1所述的光束转换器，其中，所述光束转换器在所述凸半透镜部分中至少产生具有类高斯强度分布的平面波前。
14.根据权利要求1所述的光束转换器，其中光从所述锥形耦合器进入，并且在光通过所述光束转换器之后光的光束宽度被扩展。
15.根据权利要求1所述的光束转换器，其中光从所述凸半透镜部分耦合，并且在光通过所述光束转换器之后光的光束宽度减小。
16.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述光束转换器在220nm绝缘体上硅平台或260nm绝缘体上硅平台制造。
17.根据权利要求2所述的光束转换器，其特征在于，所述抛物线锥形部分的长度为0.9μm-1μm左右，所述快速线性锥形部分的长度为3.61μm-4.54μm左右。
18.根据权利要求2所述的光束转换器，其中所述抛物线锥形部分的宽度为1.7μm-1.776μm左右，并且所述快速线性锥形部分的宽度为3.3μm-3.725μm左右。
19.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述凸半透镜部分的长度为0.78um-1.03μm左右。
20.根据权力要求1所述的光束转换器，其中所述凸半透镜部分的远端宽度为10um左右。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113376742A (zh) * 2021-06-18 2021-09-10 哈尔滨理工大学 一种简单高转换率锥形模式转换器的参数选择方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11773465B2 (en) 2019-09-19 2023-10-03 Nucor Corporation Ultra-high strength weathering steel for hot-stamping applications

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3832030A (en) * 1973-05-23 1974-08-27 Bell Telephone Labor Inc Delay equalizers for multimode optical fibers
EP0036626A1 (de) * 1980-03-18 1981-09-30 Firma Carl Zeiss Einrichtung zur Verbindung von Lichtleitern
NL169788C (nl) * 1976-03-12 1982-08-16 Cselt Centro Studi Lab Telecom Weglengtevereffeningsstelsel voor signaaloverdracht met stralingsgeleiders.
JPH10197740A (ja) * 1997-01-14 1998-07-31 Mitsubishi Rayon Co Ltd モード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ
JPH10197738A (ja) * 1997-01-10 1998-07-31 Mitsubishi Rayon Co Ltd 光ファイバを用いた光信号伝送方法及びこの方法に用いられるモード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ
CN102959442A (zh) * 2011-08-15 2013-03-06 深圳市杰普特电子技术有限公司 光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6654183B2 (en) * 1999-12-15 2003-11-25 International Business Machines Corporation System for converting optical beams to collimated flat-top beams
US7218812B2 (en) * 2003-10-27 2007-05-15 Rpo Pty Limited Planar waveguide with patterned cladding and method for producing the same
US9052450B2 (en) * 2010-04-08 2015-06-09 The Regents Of The University Of California Nano-fabricated plasmonic optical transformer
US8581173B2 (en) * 2010-10-27 2013-11-12 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Fiber optic transceiver module having a molded cover in which an optical beam transformer made of an elastomer is integrally formed
US9274323B1 (en) * 2011-10-28 2016-03-01 Spencer D. Luster Hypercentric lens assembly with high numeric aperture aspheric element
JP2017530394A (ja) * 2014-09-29 2017-10-12 エーエスエムエル ホールディング エヌ．ブイ． 高開口数対物レンズシステム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3832030A (en) * 1973-05-23 1974-08-27 Bell Telephone Labor Inc Delay equalizers for multimode optical fibers
NL169788C (nl) * 1976-03-12 1982-08-16 Cselt Centro Studi Lab Telecom Weglengtevereffeningsstelsel voor signaaloverdracht met stralingsgeleiders.
EP0036626A1 (de) * 1980-03-18 1981-09-30 Firma Carl Zeiss Einrichtung zur Verbindung von Lichtleitern
JPH10197738A (ja) * 1997-01-10 1998-07-31 Mitsubishi Rayon Co Ltd 光ファイバを用いた光信号伝送方法及びこの方法に用いられるモード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ
JPH10197740A (ja) * 1997-01-14 1998-07-31 Mitsubishi Rayon Co Ltd モード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ
CN102959442A (zh) * 2011-08-15 2013-03-06 深圳市杰普特电子技术有限公司 光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TER-HOE LOH等: "Ultra-compact multilayer Si/SiO2 GRIN lens mode-size converter for coupling single-mode fiber to Si-wire waveguide", 《OPTICS EXPRESS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113376742A (zh) * 2021-06-18 2021-09-10 哈尔滨理工大学 一种简单高转换率锥形模式转换器的参数选择方法

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Publication number Publication date
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