CN111983754A - 基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑硅波导模式转换器，为基于具有倾斜的亚波长周期性扰动的电介质超曲面结构，包括：在SOI基片上蚀刻形状的若干个周期个数，周期为Λ、占空比、倾斜角度为θ的斜向亚波长扰动的顶层硅结构；本发明采用具有倾斜的亚波长扰动的全介质超表面结构，可以实现紧凑的基模到任意高阶模的硅波导模式转换，能够大幅度提升光通信容量。

Description

基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件
技术领域
本发明涉及的是一种光波领域的技术，具体涉及一种基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件。
背景技术
片上模分复用(MDM)技术利用硅多模波导的空间模式，可以显著提升传输容量。得益于其紧凑的器件尺寸和与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺的兼容性，硅片上MDM引起了很多关注。
作为MDM系统中的关键组件，模式转换器一般尺寸较大，存在工作带宽有限和插入损耗大等问题。超表面是具有亚波长特征的二维人工结构，可以有效控制光束的相位，幅度和偏振，可以解决上述的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中损耗与串扰过大的不足，提出了一种基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件，采用具有倾斜的亚波长扰动的全介质超表面结构，可以实现紧凑的基模到任意高阶模的硅波导模式转换，能够大幅度提升光通信容量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种紧凑硅波导模式转换器，为基于具有倾斜的亚波长周期性扰动的电介质超曲面结构，包括：在SOI基片上蚀刻形状的若干个周期个数，周期为Λ、占空比、倾斜角度为θ的斜向亚波长扰动的顶层硅结构。
所述的斜向亚波长扰动的顶层硅结构满足模式耦合方程：
Figure BDA0002069337890000011
Figure BDA0002069337890000012
其中：A、B分别为模式a、b的幅值，βa和βb分别表示模式a和模式b的传播系数；κab和κba代表波导模式a和b之间的交换耦合系数，即模式耦合系数，且κab＝κba *。
所述的斜向亚波长周期性扰动结构是基于将传统模式耦合系数由常系数改为变系数后，可以减少耦合过程中的损耗，并且在极短距离内实现模式耦合。
所述的模式转换器，其相位匹配条件满足：
Figure BDA0002069337890000013
根据该条件，TEa模式和TEb模式在δ/2上传播后异相。因此，在δ/2之后需要将κab从正值变为负值，以确保TEa模式始终对转换为TEb模式有转换贡献。
所述的模式转换器，其耦合过程只需要一个耦合周期，即耦合长度L＝δ，并且倾斜角度
Figure BDA0002069337890000021
其中：w为波导宽度，Λ为亚波长结构的周期。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过将斜向亚波长微扰结构运用到模式耦合器中，可以通过改变结构参数(角度、周期)以实现任意波导模式转换高阶波导模式转换，可以分别将TE0模式转换为TE1，TE2或TE3模式。TE0-TE1，TE0-TE2和TE0-TE3波导模式转换器的模式转换长度分别为3.96μm，3.686μm和3.564μm，显著优于现有器件结构。在1500-1625nm波长范围内模式转换器插损均控制在<1dB，模式串扰<-10dB。
附图说明
图1为片上模式转换器的(a)三维结构示意图和(b)硅波导上表面截面图；
图2为TE0和TE3模式的(a)耦合系数κ03和(b)能量随传播长度的变化关系示意图；
图3为TE0至(a)TE1(b)TE2和(c)TE3模式转换的超表面结构图形；
图4为TE0转为(a)TE1(b)TE2和(c)TE3模式转换的光场分布图；
图5为模式透射率与(a)波长(b)周期长度(c)占空比和(d)周期数的关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件，其中：图1(a)为器件的三维结构示意图，图1(b)为硅波导上表面的截面图。该超表面结构图形通过在SOI基片上刻蚀220nm的顶层硅实现，刻蚀深度为110～130nm，表面覆盖二氧化硅作为保护层。刻蚀深度的选取是为了既保证超表面结构不会给硅基多模波导带来过大的插入损耗，同时又能引起足够大的模式转换所需的折射率扰动。
如图2(a)所示，是TE0和TE3两个模式间的耦合系数随传播长度的变化规律，模式耦合系数沿传播方向变化，从而有助于实现模式转换过程，如图2(b)中所示的模式纯度的变化，TE3的模式纯度P3随图2(a)中模耦合系数的变化逐渐变大，即由TE0(P0)转换为TE3(P3)。该模式耦合系数进一步表示为
Figure BDA0002069337890000022
其中：Ea(x，y)和Eb(x，y)分别代表波导模式a和b在没有微扰下的场分布，ω代表选择转换的频率，Δε(x，y，z)表示周期性微扰对应的介电常数的变化，与刻蚀形状相关。
可以看到，通过在硅基多模波导上刻蚀特定的超表面结构，可以使目标模式间的耦合系数大致接近105/m数量级。同时，控制耦合系数在模式转换区长度内的正负值分布，可以有效地补偿模式等效折射率不同引起的相位失配，增强模式间的转换效率。
当初始条件下光以TE0模式入射即对模式TE0、TE1、TE2、TE3的幅值分别为A0＝1，A1＝A2＝A3＝0，通过Matlab数值求解模式耦合转换方程，就能得到模式转换过程中不同长度上各个模式所占的能量。
本实施例可以对任意高阶模式的转换，下面以TE0-TE1，TE0-TE2和TE0-TE3波导模式转换为例。
如图2(b)所示，为TE0和TE3两个模式沿传播方向的演化规律，其能量分别通过P1＝A1*A1和P3＝A3*A3计算。从图中可以看到，TE0模式在3.83μm的距离内完成了向TE3模式的转换，理论转换效率高达96.07％。
如图2所示，针对不同模式的光场分布，为使模式耦合方程中的耦合系数达到最大，单条折线的形状以及由此引起的波导折射率的扰动也各不相同。此外，还需要控制超表面结构的总长度，使光波在该距离内正好完成模式的转换。
如图3所示，结构的纵向周期数T⊥＝n+1，n为模式数，对TE0-TE1、TE0-TE2、TE0-TE3和TE0-TE12的T⊥分别为2、3、4、13。
斜向超表面结构的波导宽度、斜向角度、周期可以通过3D-FDTD仿真结果取最优解，TE0-TE1、TE0-TE2和TE0-TE3模式耦合器的参数如表1中所示，最后模式耦合器的长度分别为耦合长度分别为3.96μm，3.686μm和3.564μm。
表1
Figure BDA0002069337890000031
从图3中可以看到，针对不同模式的光场分布，为使模耦合方程中的耦合系数达到最大，单条折线的形状以及由此引起的波导折射率的扰动也各不相同。此外，还需要控制超表面结构的总长度，使光波在该距离内正好完成模式的转换。过短的距离将导致基模还没来得及转成高阶模，而过长的距离则将导致高阶模继续转回基模。
所述的模式转换器，如图1.b所示，其纵向周期数与转换模式一致T⊥＝n+1，n为模式数，效果图如图3中所示，结构的箭头个数与转换模式数相关。
本实施例采用3D时域有限差分法(3D-FDTD)对所述结构的模式转换过程进行仿真，如图4所示，为入射光的电场分量Ey在传播方向上的分布图。
如图5所示，是用三维有限时域差分(3D-FDTD)方法计算得到TE0至TE3模式转换器对不同模式的透射率。可以看到，在1500-1625nm波长范围内模式转换器插损均控制在～1dB，模式串扰<-10dB。周期在300-700nm范围内变化时，插损和串扰没有显著变化。占空比需控制在50±5％范围内以保证器件正常工作。TE0模式串扰对周期数最为敏感，因为周期数与转换区长度直接相关。当周期数为5时，模间串扰最低。
将本发明的器件与各种模式转换器与介电材料进行了比较，本发明的模式转换器的长度相比于先前报告的器件结构有显著提升。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种紧凑硅波导模式转换器，其特征在于，为基于具有倾斜的亚波长周期性扰动的电介质超曲面结构，包括：在SOI基片上蚀刻形状的若干个周期个数，周期为Λ、占空比、倾斜角度为θ的斜向亚波长扰动的顶层硅结构；
所述的斜向亚波长扰动的顶层硅结构满足模式耦合方程：
Figure FDA0002069337880000011
Figure FDA0002069337880000012
其中：A、B分别为模式a、b的幅值，βa和βb分别表示模式a和模式b的传播系数；κab和κba代表波导模式a和b之间的交换耦合系数，即模式耦合系数，且κab＝κba *。
2.根据权利要求1所述的紧凑硅波导模式转换器，其特征是，所述的模式转换器，其相位匹配条件满足：
Figure FDA0002069337880000013
根据该条件，TEa模式和TEb模式在δ/2上传播后异相，因此，在δ/2之后需要将κab从正值变为负值，以确保TEa模式始终对转换为TEb模式有转换贡献。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑硅波导模式转换器，其特征是，所述的模式转换器，其耦合过程只需要一个耦合周期，即耦合长度L＝δ，并且倾斜角度
Figure FDA0002069337880000014
其中：w为波导宽度，Λ为亚波长结构的周期。
4.根据权利要求1所述的紧凑硅波导模式转换器，其特征是，所述的模式耦合系数进一步表示为
Figure FDA0002069337880000015
其中：Ea(x，y)和Eb(x，y)分别代表波导模式a和b在没有微扰下的场分布，ω代表选择转换的频率，Δε(x，y，z)表示周期性微扰对应的介电常数的变化，与刻蚀形状相关。
5.根据权利要求1所述的紧凑硅波导模式转换器，其特征是，所述的超表面结构图形通过在SOI基片上刻蚀220nm的顶层硅实现，刻蚀深度为110～130nm，表面覆盖二氧化硅作为保护层。
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