CN112230337A - 一种基于反射效应的片上模分复用器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于反射效应的片上模分复用器件，其包括基底层、光波导层和包层，所述光波导层包括N个单模波导、一个锥形波导和一个宽多模波导；其中，所述N个单模波导的尾端与锥形波导的侧面连接，所述锥形波导的尾端和宽多模波导相连；其中N为正整数。采用本发明技术方案的模分复用器，对于单个的模式转换只需要通过优化单模波导与锥形波导的夹角和相对位置来实现，具有结构简单、尺寸紧凑、工作带宽较大、器件制备误差容忍度大等优点，且锥形波导和多模波导的尺寸没有严格的设计要求，设计方法简单。

Description

一种基于反射效应的片上模分复用器件
技术领域
本发明属于集成硅光子技术领域，尤其涉及一种基于反射效应的片上模分复用器件。
背景技术
随着5G密集组网和大数据业务等迅速发展，光模块的需求量与日俱增，其中，光芯片的高集成密度在高性能计算机、光通信、量子运算等众多高新领域存在更大的需求。与电处理芯片相比，光芯片具有更高的带宽和更低的功耗，而且可以利用波长、模式、偏振等参量实现多路复用处理技术，这能够有效提升传输信道容量。其中，集成光波导中的正交空间模式被认为是提高光互连的数据容量的重要自由度。对于大容量光互连，模分复用（MDM）很好地作为波分复用的替代技术，因为它只需要单色激光，并且不需要精确的波长控制。目前，常用的模分复用技术有基于非对称定向耦合技术、基于亚波长光栅技术等，但存在制备误差容忍度小、对波长敏感、器件尺寸较大、模式转换数受限等缺陷。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种基于反射效应的片上模分复用器件，解决了现有模分复用结构和方案对波长敏感、器件尺寸较大、制备误差容忍度小等问题。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种基于反射效应的片上模分复用器件，其包括基底层、光波导层和包层，所述光波导层包括N个单模波导、一个锥形波导和一个宽多模波导；其中，所述N个单模波导的尾端与锥形波导的侧面连接，所述锥形波导的尾端和宽多模波导相连；其中N代表N模式模分复用器，N为正整数，N=1、2、3…。
采用此技术方案，基模光波导模式从单模波导输入端入射并传播到锥形波导区域，光波导模式在锥形波导中散射并连续反射传播，由于锥形波导的宽度不断变化，光波导模式在连续反射中形成相位差；通过优化单模波导与锥形波导的夹角和相对位置，可以使基模传播光束引入最佳的相位差从而演变为高阶光波导模式，最后在宽多模波导区域输出高阶光波导模式。由于不同的单模波导和锥形波导夹角和相对位置会实现基模到不同的高阶模转换，因此，优化并合理安排N个单模波导的夹角和位置，即可实现一个N模式模分复用器。另外，相对于现有的技术，该片上模分复用器件结构简单、尺寸大大减小、工作带宽较大、器件制备误差容忍度大，且与CMOS工艺兼容。该方案为片上模分复用光子集成回路提供了一种新结构，是一项发展片上集成光芯片技术的重要而有意义的工作。
作为本发明的进一步改进，所述单模波导的宽度支持基模光波导模式传播。
作为本发明的进一步改进，每个单模波导与锥形波导之间设有相同或不同的夹角。
作为本发明的进一步改进，所述N个单模波导的尾端与锥形波导同一侧面的不同位置连接；所述单模波导和锥形波导不同的连接位置和夹角实现基模到不同高阶模式的转换。
作为本发明的进一步改进，所述基模和不同高阶模式均为横电场模（TE模），波长为1550nm的光通信波段。
作为本发明的进一步改进，所述锥形波导的波导宽度渐变区发生在锥形波导的一侧或两侧；进一步的，所述锥形波导的起始端宽度支持基模光波导模式，末端宽度支持N个光波导模式。
作为本发明的进一步改进，所述宽多模波导的起始端与锥形波导的末端相连，所述宽多模波导的宽度和锥形波导的末端宽度相同，并支持N个光波导模式传播。
作为本发明的进一步改进，所述光波导层的折射率大于包层和基底层的折射率。
作为本发明的进一步改进，所述波导层的材料为硅，所述基底层的材料为二氧化硅，所述包层材料的材料为空气、二氧化硅或聚合物材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明技术方案的模分复用器，对于单个的模式转换只需要通过优化单模波导与锥形波导的夹角和相对位置来实现，具有结构简单、尺寸紧凑、工作带宽较大、器件制备误差容忍度大等优点，且锥形波导和多模波导的尺寸没有严格的设计要求，设计方法简单。
第二，本发明所提供的基于反射效应的片上模分复用器件结构简单，具有尺寸小、工作带宽较大、制备误差容忍度大等特点。
第三，本发明的器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，制备简单，造使得器件易于集成和扩展，可广泛应用于片上高密度集成的光芯片互连系统。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于反射效应的片上4模式（TE0,TE1,TE2,TE3）的模分复用器的平面结构示意图。
图2为本发明实施例的片上4模式模分复用器的截面结构示意图。
图3为本发明实施例的片上4模式模分复用器的实现模式转换的示意图。
图4为本发明实施例的片上4模式模分复用器的模拟光场分布图。
图5为本发明实施例的片上4模式模分复用器的模拟传输谱。
其中：1-第一单模波导，2-第二单模波导，3-第三单模波导，4-第四单模波导，5-锥形波导，6-宽多模波导，7-包层，8-波导层，9-基底层。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种基于反射效应的片上模分复用器件，本实施例为片上4模式，分别包括TE0模式、TE1模式、TE2模式和TE3模式。该器件包括基底层9、光波导层8和包层7，所述光波导层8包括4个单模波导、一个锥形波导5和一个宽多模波导6。4个单模波导的尾端与锥形波导5的同一侧面的不同位置连接，所述锥形波导5的尾端和宽多模波导6相连。
其中，所述4个单模波导包括第一单模波导1（TE0模式通道）、第二单模波导2（TE1模式通道）、第三单模波导3（TE2模式通道）、第四单模波导4（TE3模式通道），用于4个模式输入通道（TE0模式通道，TE1模式通道，TE2模式通道，TE3模式通道），波导宽度为0.7μm 。一个锥形波导5为一侧面宽度渐变的锥形波导5，该锥形波导5的波导宽度由0.7μm变化到1.9μm，变化长度为25μm。一个宽多模波导6的波导宽度为1.9μm，足以支持4个模式传播。
第一单模波导1、第二单模波导2、第三单模波导3、第四单模波导4在锥形波导5的同一侧，且与锥形波导5的相对位置和夹角都不尽相同，不同位置和不同夹角可以实现基模到不同高阶模的转换。本实施例中，四个单模波导与锥形波导5的同一侧的不同位置连接。第一单模波导1到锥形波导5可以实现基模的无模式转换传播（TE0-TE0模式），第二单模波导2到锥形波导5可以实现基模到一阶模式转换传播（TE0-TE1模式），第三单模波导3到锥形波导5可以实现基模到二阶模式转换传播（TE0-TE2模式），第四单模波导4到锥形波导5可以实现基模到三阶模式转换传播（TE0-TE3模式）。
具体而言，该器件的截面示意图如图2所示，所述模分复用器构建在绝缘体上的硅平台（SOI）上，波导层材料均为220nm厚的硅，基底层为二氧化硅，所述包层材料二氧化硅。整个器件只需一次刻蚀和一次镀膜即可完成制作。
如图3所示，图3中仅仅示意出其中的两个单模波导，借以说明本实施例基于反射效应的片上模分复用器件的设计原理：对于基模（0阶模式）到(N-1)阶模式转换（N代表N模式模分复用器，N为正整数），基模（0阶模式）从单模波导输入端入射并传播到锥形波导区域，光波导模式进入锥形波导中散射能够形成N束光束并连续反射传播，由于不同束的光束反射角不同且锥形波导的宽度不断变化，因此N束光束在锥形区域连续反射时引入相位差，进一步通过优化单模波导与锥形波导的夹角和相对位置，可以控制锥形区域内光束的反射路径和反射角，从而使N束光束的相邻束具有π相位差，使N束光束演变为(N-1)阶光波导模式，最后在宽多模波导区域输出(N-1)阶光波导模式。合理安排N个单模波导在锥形波导一侧的位置和相对夹角，可以实现N个模式模分复用。
图4和图5为本实施例的模拟光场分布和模拟传输谱图。采用三维有限时域差分（3D FDTD）法对该器件进行仿真分析，可见，调整单模波导到锥形波导的相对位置和夹角，并监测目标模式进行优化仿真，找到最优位置和夹角参数以实现最高效的模式转换。该器件成功的实现了4模式模分复用功能。4个模式的插入损耗在1.5μm -1.6μm带宽内低于1.5dB。且该器件尺寸紧凑，制作工艺简单，制作容差较大，且与CMOS工艺兼容性，可广泛应用于片上高密度集成的光芯片互连系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：其包括基底层、光波导层和包层，所述光波导层包括N个单模波导、一个锥形波导和一个宽多模波导；其中，所述N个单模波导的尾端与锥形波导的侧面连接，所述锥形波导的尾端和宽多模波导相连；其中N为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：每个单模波导与锥形波导之间设有相同或不同的夹角。
3.根据权利要求2所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述N个单模波导的尾端与锥形波导同一侧面的不同位置连接；所述单模波导和锥形波导不同的连接位置和夹角实现基模到不同高阶模式的转换。
4.根据权利要求3所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述基模和不同高阶模式均为横电场模（TE模），波长为1550nm的光通信波段。
5.根据权利要求1所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述锥形波导的波导宽度渐变区发生在锥形波导的一侧或两侧，所述锥形波导的起始端宽度支持基模光波导模式，末端宽度支持N个光波导模式。
6.根据权利要求1所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述宽多模波导的起始端与锥形波导的末端相连，所述宽多模波导的宽度和锥形波导的末端宽度相同，并支持N个光波导模式传播。
7.根据权利要求1所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述单模波导的宽度支持基模光波导模式传播。
8.根据权利要求1所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述光波导层的折射率大于包层、基底层的折射率。
9.根据权利要求1~8任意一项所述的基于反射效应的片上模分复用器件，其特征在于：所述波导层的材料为硅，所述基底层的材料为二氧化硅，所述包层材料的材料为空气、二氧化硅或聚合物材料。
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