CN112946817B - 一种基于亚波长结构的模式阶数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长结构的模式阶数转换器，包括：硅基衬底、掩埋氧化层、模式阶数转换部件和上包层，模式阶数转换部件包括输入通道、左锥形通道、中路通道、右锥形通道和右输出通道。输入通道的一端和左锥形通道较宽的一端相连，输出通道的一端和右锥形通道较宽的一端相连。左锥形通道和右锥形通道两侧布有亚波长光栅结构，分别构成左模式过渡部件和右模式过渡部件。中间直通通道位于左模式过渡部件和右模式过渡部件中间，与左右两个模式过渡部件的间隔均为半个光栅周期长度。本发明具有低插入损耗、高转换效率、尺寸紧凑且设计灵活的优点。

Description

一种基于亚波长结构的模式阶数转换器
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，尤其涉及一种基于亚波长结构的模式阶数转换器。
背景技术
最近，绝缘硅片(SOI)材料平台受到了广泛的关注。由于其高折射率差的特点，基于SOI平台的器件对光有很强的限制作用，从而极大缩小了光波导器件的尺寸，利于提高集成光子回路(PICs)的集成度，在许多光学领域得到了实际的应用。基于SOI平台的片上模分复用系统(MDM)，利用不同阶数的本征模来加载光信号来提高光通信的容量，是一项非常重要的技术应用。对片上模分复用系统而言，模式阶数转换器是该系统中的一项重要组成元件，该器件可以实现模式从低阶模式到高阶模式的转换。传统的模式阶数转换器，通过使用定向耦合器波导、浅刻蚀波导、或者多模干涉波导实现模式从低阶到高阶的转换；但这些器件都一般具有工艺复杂，尺寸较大，窄带宽的缺点，且只能实现基模到高阶模式之间的转换，无法实现不同高阶模式之间的转换。所以，设计出一款结构紧凑、高消光比、低损耗且具备不同阶数模式之间灵活转换功能的模式阶数转换器对于片上模分复用系统是很有必要的。近年，亚波长光栅(SWG)波导结构倍受研究学者的关注，该结构具有很强的衍射和反射抑制作用，在亚波长波段区域可看作是均匀介质材料，为模式阶数转换器的设计提供新的自由度。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于亚波长结构的模式阶数转换器,以解决损耗高，转换效率低，不具备不同阶数模式之间灵活转换功能的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体技术方案如下：
一种基于亚波长结构的模式阶数转换器，包括硅基衬底、掩埋氧化层、模式阶数转换部件和上包层，所述掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面；
所述上包层覆盖掩埋氧化层的上表面；
所述模式阶数转换部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，且完全被上包层所覆盖，模式阶数转换部件包括中间直通通道、左模式过渡部件和右模式过渡部件；
所述左模式过渡部件包括输入通道、左锥形通道及其两端亚波长光栅，输入通道的右端和左锥形通道较宽的左端相连；
所述右模式过渡部件包括输出通道、右锥形通道及其两端亚波长光栅，输出通道的左端和右锥形通道较宽的右端相连；
所述中间直通通道为亚波长光栅结构，位于左模式过渡部件和右模式过渡部件中间，中间直通通道与左模式过渡部件的间隔为半个光栅周期长度，中间直通通道与右模式过渡部件的间隔也为半个光栅周期长度，中间直通通道的宽度与左模式过渡部件和右模式过渡部件的宽度相同。
进一步的，所述输入通道、左锥形通道、中间直通通道、右锥形通道和输出通道均为硅基波导，且厚度均相同。
进一步的，所述亚波长光栅结构中高折射率材料为硅。
进一步的，所述输入通道、左锥形通道、中间直通通道、右锥形通道、输出通道的尺寸，使输入模式和输出模式满足下式：
Figure BDA0002963192200000021
其中
Figure BDA0002963192200000022
表示输入通道所支持的第p阶TE模的有效折射率，
Figure BDA0002963192200000023
表示输出通道所支持的第q阶TE模的有效折射率,p和q为非负整数且满足p<q。
进一步的，基于亚波长结构的模式阶数转换器采用绝缘硅片SOI平台制造，硅基衬底为标准硅晶片，掩埋氧化层是在硅基衬底上热生长厚度为2μm的二氧化硅，上包层为二氧化硅，且覆盖整个基于亚波长结构的模式阶数转换器。
本发明的基于亚波长结构的模式阶数转换器，具有以下优点：
(1)插入损耗低：本发明中的模式阶数转换器所满足的重要条件是输入输出模式相位匹配条件，在模式过渡部件中，锥形通道与相邻区域的有效折射率差被引入亚波长光栅结构降低，光在锥形空间中就具有更大的透射率和更小的反射率，从而模式可以更加平滑地从左锥形通道过渡到中间直通通道或者从中间直通通道过渡到右锥形通道，插入损耗被极大地降低；
(2)高转换效率：本发明中的模式阶数转换器引入亚波长光栅结构，可以实现平滑的模式过渡，从而可以在更短的器件长度内完成p阶TE模到q阶TE模的转换；
(3)设计灵活度高：该模式阶数转换器中的输入p阶TE模和输出的目标q阶TE模满足相位匹配关系，p和q为非负整数。所以，只要调整输入通道、左锥形通道、中间直通通道、右锥形通道、输出通道的尺寸，满足输入通道和输出通道的模式相位匹配关系，就可以实现p阶TE模到q阶TE模的转换，不仅可以实现基模到高阶模式之间的模式阶数转换，还可以完成不同高阶模式之间的灵活转换。
附图说明
图1为本发明的模式阶数转换部件结构示意图；
图2为本发明的基于亚波长结构的模式阶数转换器结构示意图；
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于亚波长结构的模式阶数转换器做进一步详细的描述。
如图2所示，基于亚波长结构的模式阶数转换器由下至上依次由硅基衬底9、掩埋氧化层10、模式阶数转换部件8和上包层11组成，其中掩埋氧化层10生长于硅基衬底9的上表面，上包层11覆盖掩埋氧化层10的上表面，模式阶数转换部件8水平生长于掩埋氧化层10的上表面，且完全被上包层11所覆盖。
基于亚波长结构的模式阶数转换器采用绝缘硅片SOI平台制造，硅基衬底9为标准硅晶片，掩埋氧化层10是在硅基衬底9上热生长厚度为2μm的二氧化硅，上包层11为二氧化硅，且覆盖整个基于亚波长结构的模式阶数转换器。
如图1所示，模式阶数转换部件8包括中间直通通道3、左模式过渡部件6和右模式过渡部件7。其中左模式过渡部件6包括输入通道1、左锥形通道2及其两端亚波长光栅，输入通道1的右端和左锥形通道2较宽的左端相连。右模式过渡部件7包括输出通道5、右锥形通道4及其两端亚波长光栅，输出通道5的左端和右锥形通道4较宽的右端相连。
中间直通通道3位于左模式过渡部件6和右模式过渡部件7中间，中间直通通道3与左模式过渡部件6的间隔为半个光栅周期长度，中间直通通道3与右模式过渡部件7的间隔也为半个光栅周期长度。中间直通通道3的宽度与左模式过渡部件6和右模式过渡部件7的宽度相同。
输入通道1、左锥形通道2、中间直通通道3、右锥形通道4和输出通道5均为硅基波导，且厚度均为250nm。
合理设计输入通道1、左锥形通道2、中间直通通道3、右锥形通道4、输出通道5的尺寸，使得输入模式和输出模式满足下式：
Figure BDA0002963192200000041
式中：
Figure BDA0002963192200000042
表示输入通道1所支持的第p阶TE模的有效折射率，
Figure BDA0002963192200000043
表示输出通道5所支持的第q阶TE模的有效折射率,p和q为非负整数且满足p<q。当给定的p阶TE模输入到左模式过渡部件6时，会平滑地从右锥形通道4过渡为准TE0模(quasi-TE0)，在中间直通通道3传输。接着，该准TE0模传输到右模式过渡部件7时，会过渡为折射率匹配的q阶TE模，在右锥形通道4传输。最后，目标q阶TE模从输出通道输出，实现了从p阶TE模到q阶TE模的转换。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，包括硅基衬底（9）、掩埋氧化层（10）、模式阶数转换部件（8）和上包层（11）；
所述掩埋氧化层（10）生长于硅基衬底（9）的上表面；
所述上包层（11）覆盖掩埋氧化层（10）的上表面；
所述模式阶数转换部件（8）水平生长于掩埋氧化层（10）的上表面，且完全被上包层（11）所覆盖，模式阶数转换部件（8）包括中间直通通道（3）、左模式过渡部件（6）和右模式过渡部件（7）；
所述左模式过渡部件（6）包括输入通道（1）、左锥形通道（2）及其两端亚波长光栅，输入通道（1）的右端和左锥形通道（2）较宽的左端相连；
所述右模式过渡部件（7）包括输出通道（5）、右锥形通道（4）及其两端亚波长光栅，输出通道（5）的左端和右锥形通道（4）较宽的右端相连；
所述中间直通通道（3）为亚波长光栅结构，位于左模式过渡部件（6）和右模式过渡部件（7）中间，中间直通通道（3）与左模式过渡部件（6）的间隔为半个光栅周期长度，中间直通通道（3）与右模式过渡部件（7）的间隔也为半个光栅周期长度，中间直通通道（3）的宽度与左模式过渡部件（6）和右模式过渡部件（7）的宽度相同；
所述输入通道（1）、左锥形通道（2）、中间直通通道（3）、右锥形通道（4）、输出通道（5）的尺寸，使得输入模式和输出模式满足下式：
Figure 540920DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 318382DEST_PATH_IMAGE004
表示输入通道1所支持的第p阶TE模的有效折射率，
Figure 707906DEST_PATH_IMAGE006
表示输出通道（5）所支持的第q阶TE模的有效折射率, p和q为非负整数且满足p<q。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述输入通道（1）、左锥形通道（2）、中间直通通道（3）、右锥形通道（4）、输出通道（5）和亚波长光栅的厚度均相同。
3.根据权利要求2所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述输入通道（1）、左锥形通道（2）、中间直通通道（3）、右锥形通道（4）、输出通道（5）和亚波长光栅均为硅基波导。
4.根据权利要求3所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述亚波长光栅结构中高折射率材料为硅。
5.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述硅基衬底（9）为标准硅晶片。
6.根据权利要求5所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述掩埋氧化层（10）是在硅基衬底（9）上热生长厚度为2μm的二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的基于亚波长结构的模式阶数转换器，其特征在于，所述上包层（11）为二氧化硅，且覆盖整个基于亚波长结构的模式阶数转换器。
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