CN114488389A - 一种绝热导波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝热导波系统，包括构成绝热导波结构的芯和包层；在垂直光束传播方向上，将芯从上而下划分为顶层、中层以及底层，顶层厚h ₁，中层厚h ₂，底层硅厚h ₃；在光束传播方向上，从输入端到输出端，将芯划分成a~e共五段，a段的顶层和中层的宽均为w _L；b段的顶层宽从w _L缩小到w _R，中层宽从w _L增大到W ₁；c段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₁增大到W ₂；d段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₂增大到W _R；e段的顶层宽保持w _R不变，中层宽保持W _R不变。本发明的绝热导波系统可以获得很宽的工作带宽，且获得的结构尺寸小、结构简单。

Description

一种绝热导波系统

技术领域

本发明涉及一种绝热导波系统。

背景技术

在传统的光学仪器和系统中，光以光束的形式在不同位置之间传输，这些光束通过反射镜、透镜和棱镜进行准直、中继、聚焦和扫描。尽管光束可以通过使用透镜和反射镜重新聚焦，但光束在传播时会发生衍射和展宽。并且，构成这种系统的整体光学部件通常很大且笨重。

在许多情况下，通过介质波导而不是通过自由空间传输光束是有利的。实现这一目标的技术称为导波光学系统。最初开发它是为了提供长距离光传输，而无需使用中继透镜。现在这项技术具有许多重要的应用，比如，携带远距离的光进行光波通信，以及纳米光子学和光子集成电路中器件和系统中的连接部件。

折射率为n ₁的介质嵌入在折射率为n ₂的介质中，其中n ₂ < n ₁，折射率为n ₁的介质充当光“陷阱”，即在折射率为n ₁的介质中，光线通过边界处的多次全内反射，从而约束在折射率为n ₁的介质中，这就是光学限制的基本原理。这种效应有助于限制高折射介质内部产生的光，因此可以用于制作绝热导波系统，从而将光能量从一个光学波导绝热的传输到另一个位置上的光学波导结构。光能量通过内层介质传输，而不会辐射到周围的介质中。内层介质和外层介质分别称为波导的“芯”和“包层”。

基于上述原理的现有的绝热导波系统，不同程度存在尺寸大、带宽小、结构复杂、不易加工等等问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种绝热导波系统，具有较大的工作带宽，且结构尺寸小。

技术方案：一种绝热导波系统，包括构成绝热导波结构的芯和包层；在垂直光束传播方向上，将所述芯从上而下划分为顶层、中层以及底层，顶层厚h ₁，中层厚h ₂，底层硅厚h ₃；在光束传播方向上，从输入端到输出端，将所述芯划分成a~e共五段，a段的顶层和中层的宽均为w _L；b段的顶层宽从w _L缩小到w _R，中层宽从w _L增大到W ₁；c段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₁增大到W ₂；d段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₂增大到W _R；e段的顶层宽保持w _R不变，中层宽保持W _R不变。

进一步的，所述芯的材料为硅，所述包层的材料为二氧化硅或空气。

有益效果：本发明结构采用双折射率材料构成，通过在光束传播方向上对每段的各层分别设计结构，实现光束模式沿传播方向缓慢变化，其他模式几乎不会激发，能以尽可能短的距离将输入端的光能量无损耗的传输的输出端，及实现绝热模式传输。本发明设计的结构在光波传播方向上分成了若干片段，对每一片段分别进行设计，采用了数值化的思想，获得了绝热导波结构的数值化结果，从而大大缩短整个结构的长度。而直线直接连接输入端和输出端的情况，需要很长的长度L才能实现绝热传输，当L趋向无穷大时，近似平行板波导，可以实现无损耗传输，从而获得很宽的带宽。本发明的绝热导波系统可以获得很宽的工作带宽，且获得的结构尺寸小、结构简单。

附图说明

图1为本发明系统的俯视结构示意图；

图2为对应图1中a、b、c、d、e五段的横截面结构示意图；

图3为本发明绝热导波系统的传输曲线；

图4为本发明系统的与直线连接输入端和输出端情况下的功率传输曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图2所示，一种绝热导波系统，包括构成绝热导波结构的芯1和包层2。本实施例中，芯1的材料为硅，包层2的材料为二氧化硅，硅的折射率n _Si= 3.45，二氧化硅的折射率n _SiO2 = 3.455。光束的波长为1.55 μm。一般情况下，导波结构的厚度以及输入端、输出端宽度都是根据要求预先选择好的，如只支持单一的TE和TM波导模。

在垂直光束传播方向上，将芯1从上而下划分为顶层、中层以及底层，顶层厚h ₁，中层厚h ₂，底层硅厚h ₃。在光束传播方向上，从输入端到输出端，顶层硅宽从w _L化变化到w _R，中层硅宽从w _L化变化到W _R。进一步的，将芯1划分成a~e共五段，图2的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分别给出图1中a~e五段对应横截面结构。其中，a段为平行板波导，长为L _a；a段的顶层和中层的硅宽均为w _L。b段为双锥形波导，b段长为L _b；b段的顶层硅宽从w _L缩小到w _R，中层硅宽从w _L增大到W ₁，顶层和中层硅变化部分都为锥形结构。c段为单锥形波导，c段的长为L _c；c段的顶层为平行板波导结构，其硅宽保持w _R不变；中层为锥形结构，其硅宽从W ₁增大到W ₂。d段为单锥形波导，d段的长为L _d；d段的顶层为平行板波导结构，其硅宽保持w _R不变；中层为锥形结构，其硅宽从W ₂增大到W _R。e段为平行板波导，长为L _e；e段的顶层硅宽保持w _R不变，中层硅宽保持W _R不变。本实施例中，底层硅宽度始终保持W _R不变。

本实施例中：顶层硅宽从w _L= 3.5μm化变化到w _R = 2.85μm，顶层硅厚h ₁ = 80 nm；中层硅宽从w _L= 3.5μm化变化到W _R = 7μm，中层硅厚h ₂ = 200nm；底层硅宽W _R = 7μm，底层硅厚h ₃ = 220nm。各段的长度可以随意选择，均可实现绝热模式传输，表1列出了五种情况长度的设计，由于结构左端和右端是平行板波导，长度的选择对整个结构的传输没有影响，所以固定为L _a = L _d= 5μm。各个情况的传输效率如图3所示，从图上可以看出，各种情况的最低传输效率都达到了99.5%，满足绝热模式传输。以情况4为例，将本实施例设计的绝热导波系统与直线连接输入端和输出端的情况进行比较，如图4所示，从图中可以看出，对于相同的功率传输，本发明设计的绝热导波系统长度比基于直线情况下的长度要短。这是因为直线直接连接输入端和输出端的情况，需要很长的长度L才能实现绝热传输，当L趋向无穷大时，近似平行板波导，可以实现无损耗传输，从而获得很宽的带宽。而本发明设计的结构在光波传播方向上分成了若干片段，对每一片段分别进行设计，采用了数值化的思想，获得了绝热导波结构的数值化结果，从而大大缩短整个结构的长度，即本结构能够产生较大带宽，且与现有同样带宽具有更小结构。

表1

	片段a /<i>μ</i>m	片段b /<i>μ</i>m	片段c /<i>μ</i>m	片段d /<i>μ</i>m	总长度/<i>μ</i>m
						情况1	5	1	1	1	5
情况2	5	5	5	5	5
						情况3	5	20	20	20	5
情况4	5	25	15	30	5
						情况5	5	10	20	30	5
情况6	5	30	20	10	5

以上结构中，包层2的材料还可以为空气。在光束传播方向上，底层硅宽也可以是变化的，本实施例为了简化结构，仅设计顶层硅宽和中层硅宽是变化的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种绝热导波系统，其特征在于，包括构成绝热导波结构的芯（1）和包层（2）；在垂直光束传播方向上，将所述芯（1）从上而下划分为顶层、中层以及底层，顶层厚h ₁，中层厚h ₂，底层硅厚h ₃；在光束传播方向上，从输入端到输出端，将所述芯（1）划分成a~e共五段，a段的顶层和中层的宽均为w _L；b段的顶层宽从w _L缩小到w _R，中层宽从w _L增大到W ₁；c段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₁增大到W ₂；d段的顶层宽保持w _R不变，中层宽从W ₂增大到W _R；e段的顶层宽保持w _R不变，中层宽保持W _R不变。

2.根据权利要求1所述的绝热导波系统，其特征在于，所述芯（1）的材料为硅，所述包层（2）的材料为二氧化硅或空气。

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