CN115494586B - 一种双波导绝热耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波导绝热耦合器，包括第一波导和第二波导，第一波导和第二波导关于相位匹配平面反对称设置，第一波导和第二波导在光束传播方向上由8个连续片段构成，各片段由直线连接初始端和末端，各片段沿光束传播方向的截面为直角梯形。本发明可以在相位匹配平面上将一个波导中的输入模式演化为对称模式，将第二个波导中的输入模式演化为反对称模式，实现模式在不同波导中的绝热传输。当要实现99.8%的传输效率时，直线直接连接输入平面和输出平面所需要长度为本发明所需长度的2倍以上。本发明大幅减少了绝热耦合器导波系统的尺寸，可以实现光子集成芯片中的小型化设计。

Description

一种双波导绝热耦合器
技术领域
本发明涉及一种双波导绝热耦合器。
背景技术
基于绝缘体上硅结构的硅波导因其在低成本、紧凑的占位面积以及与互补金属氧化物半导体加工技术的兼容性方面的优势而引起了广泛关注。纳米级硅波导对于它们在光子集成电路中的潜在用途非常重要。绝热器件是光子集成芯片的基本组成部分。绝热模式耦合器导波系统是光纤系统中常见的实现分光和合光的方式。
如果波导参数演变得足够缓慢，那么即使模式在传播过程中其性质完全改变时，光功率也会保持在该模式下。绝热耦合器能够在波导之间实现完全的功率传输，但由于其基本机制不依赖于干扰，因此它们的带宽原则上可以非常大，并且可以放宽制造公差。
绝热导波耦合器不仅参数会随着传播而变化，而且选择合适的长度需要平衡小尺寸(需要紧凑的器件)和保持绝热性(需要长的器件)的不兼容需求。在设计绝热导波耦合器时，虽然可以简单地线性改变波导结构来获得特定传输功率下所需的器件长度，但通过这种方式得到的器件长度会明显超出所需要的长度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种紧凑的双波导绝热耦合器，实现模式在不同波导中的绝热传输。
技术方案：一种双波导绝热耦合器，包括第一波导和第二波导；所述第一波导硅芯的输入端宽度为W1＝220nm，输出端宽度为W2＝100nm；在光束传播方向上，第一波导的硅芯由片段a～片段h共8个连续的片段构成，其中，片段a由直线连接宽度W1＝220nm和w1＝213nm，长度La＝13.35μm；片段b由直线连接宽度w1＝213nm和w2＝204nm，长度为Lb＝13.15μm；片段c由直线连接宽度w2＝204nm和w3＝190nm，长度为Lc＝13.17μm；片段d由直线连接宽度w3＝190nm和w4＝160nm，长度为Ld＝15.5μm；片段e由直线连接宽度w4＝160nm和w5＝130nm，长度为Le＝15.5μm；片段f由直线连接宽度w5＝130nm和w6＝116nm，长度为Lf＝13.17μm；片段g由直线连接宽度w6＝116nm和w7＝107nm，长度为Lg＝13.15μm；片段h由直线连接宽度w7＝107nm和W2＝100nm，长度为Lh＝13.35μm；所述第二波导的硅芯的输入端宽度为W2，输出端宽度为W1；所述第二波导和第一波导反对称设置；从输入端到输出端，所述第一波导和第二波导之间的间隙宽度保持一致。
有益效果：本发明双波导绝热耦合器可以在相位匹配平面上将一个波导中的输入模式演化为对称模式，将第二个波导中的输入模式演化为反对称模式，实现模式在不同波导中的绝热传输。本发明方案与直线直接连接输入平面和输出平面的情况进行对比，如图8所示，从图中可以看出，本发明方案在效率方面要远远好于直线直接连接方案。例如，当要实现99.8％的传输效率时，本发明方案只需要14μm的长度，而直线直接连接方案需要30μm的长度，其所需要的长度是本发明方案所需要长度的2倍以上，本发明方案大幅减少了绝热耦合器导波系统的尺寸，可以实现光子集成芯片中的小型化设计。
附图说明
图1为本发明双波导绝热耦合器中硅芯的俯视图；
图2为本发明双波导绝热耦合器的输入平面图；
图3为本发明双波导绝热耦合器的相位匹配平面图；
图4为本发明双波导绝热耦合器的输出平面图；
图5为本发明双波导绝热耦合器输入平面上的局部模式轮廓图；
图6为本发明双波导绝热耦合器相位匹配平面上的局部模式轮廓图；
图7为本发明双波导绝热耦合器输出平面上的局部模式轮廓图；
图8为本发明双波导绝热耦合器的传输曲线与直线直接连接方案的对比图。
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至图4所示，一种双波导绝热耦合器，由底部包层4，底部包层4上的第一硅芯5、第二硅芯6以及顶部包层7构成。
该双波导绝热耦合器的输入平面1、相位匹配平面2以及输出平面3分别如图2、图3和图4所示。第一硅芯5对应第一波导，第二硅芯6对应第二波导；第一硅芯5的输入端宽度为W1＝220nm，输出端宽度为W2＝100nm；第二硅芯6的输入端宽度为W2＝100nm，输出端宽度为W1＝220nm。从输入端到输出端，第一硅芯5和第二硅芯6之间的间隙g恒定为100nm，并且双波导绝热耦合器硅芯的总宽度WT＝W1+W2+g，即总宽度WT恒定为420nm。第一硅芯5和第二硅芯6的厚度h2＝220nm；底部包层4的材料为二氧化硅，厚度为h1＝2μm；顶部包层7为空气，其厚度为h2+h3，其中h3的高度大于0.5μm。第一硅芯5和第二硅芯6关于相位匹配平面2反对称设置。
在光束传播方向上，第一硅芯5和第二硅芯6分别由片段a～片段h共8个连续的片段构成，各片段由直线连接初始端和末端，各片段沿光束传播方向的截面为直角梯形，具体参数如下表所示。
Figure BDA0003909285730000031
通过仿真模拟计算，各个片段所选择的长度都对应相同的模式连接功率损耗。结合图5至图7可以看出，该双波导绝热耦合器可以在相位匹配平面上将第一硅芯5的输入模式演化为对称模式，将第二硅芯6的输入模式演化为反对称模式。通过以上结构及参数设置，本发明的双波导绝热耦合器实现了以尽可能短的器件长度，使需要的模式能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将其模态功率从一个波导耦合到另一个波导，同时需要将其他不必要的耦合(高阶模式或辐射模式)降到最低。
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 (1)

1. 一种双波导绝热耦合器，其特征在于，包括第一波导和第二波导；所述第一波导硅芯的输入端宽度为W 1 = 220 nm，输出端宽度为W 2 = 100 nm；在光束传播方向上，第一波导的硅芯由片段a~片段h共8个连续的片段构成，其中，片段a由直线连接宽度W 1 = 220 nm和w 1= 213 nm，长度L a = 13.35 μm；片段b由直线连接宽度w 1 = 213 nm和w 2 = 204 nm，长度为L b= 13.15 μm；片段c由直线连接宽度w 2 = 204 nm和w 3 = 190 nm，长度为L c = 13.17 μm；片段d由直线连接宽度w 3 = 190 nm和w 4 = 160 nm，长度为L d = 15.5 μm；片段e由直线连接宽度w 4 = 160 nm和w 5 =130 nm，长度为L e = 15.5 μm；片段f由直线连接宽度w 5 = 130 nm和w 6= 116 nm，长度为L f = 13.17 μm；片段g由直线连接宽度w 6 = 116 nm和w 7 =107 nm，长度为L g = 13.15 μm；片段h由直线连接宽度w 7 = 107 nm和W 2 =100 nm，长度为L h = 13.35 μm；所述第二波导硅芯的输入端宽度为W 2，输出端宽度为W 1；所述第二波导和第一波导反对称设置；从输入端到输出端，所述第一波导和第二波导之间的间隙宽度保持一致；
所述第二波导硅芯的输入端宽度为W 2’= 100 nm，输出端宽度为W 1’= 220 nm；在光束传播方向上，第二波导的硅芯由片段a’~片段h’共8个连续的片段构成，其中，片段a’由直线连接宽度W 2’ =100 nm和w 7’ = 107 nm，长度L a ’= 13.35 μm；片段b’由直线连接宽度w 7 ’=107 nm和w 6 ’= 116 nm，长度为L b ’= 13.15 μm；片段c’由直线连接宽度w 6 ’= 116 nm和w 5’= 130 nm，长度为L c’ = 13.17 μm；片段d’由直线连接宽度w 5’ = 130 nm和w 4 ’= 160 nm，长度为L d ’= 15.5 μm；片段e’由直线连接宽度w 4 ’= 160 nm和w 3 ’= 190 nm，长度为L e ’=15.5 μm；片段f’由直线连接宽度w 3 ’= 190 nm和w 2 ’= 204 nm，长度为L f ’= 13.17 μm；片段g’由直线连接宽度w 2 ’= 204 nm和w 1 ’= 213 nm，长度为L g ’= 13.15 μm；片段h’由直线连接宽度w 1’ = 213 nm和W 1’= 220 nm，长度为L h ’= 13.35 μm。
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