CN115826139A - 基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，所述波导模式转换器包括宽度不同的输入波导和输出波导，以及具有纵向折射率调制功能的折射率微扰调制结构，其中：所述输入波导与输出波导采用非中心轴对称的方式连接；所述输出波导的横截面引入折射率微扰调制结构，折射率微扰调制结构位于输入波导和输出波导的拼接边界上且沿波导传输正方向延伸。本发明通过在波导的横截面设计一定长度的纵向的二元折射率调制结构，通过对纵向折射率区域的的长度和材料分布进行逆向设计优化，实现一个超紧凑、超宽带的模式转换，该方式可以拓展到任意阶模式的转换。本发明为提高片上集成系统中器件的集成度和性能提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳光子学集成器件，具体涉及一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器。
背景技术
随着信息社会的快速发展，对信息和数据传输的容量的需求越来越高，现阶段集成电路电子器件是大数据时代信息传递和数据传输及计算的主体。但是随着集成电路中电子器件的数量的不断增加及尺寸的不断缩小，集成电路系统的性能会受到严重限制，特别是带宽和功耗。与之不同的是，光作为信息传递的载体具有速度快、能耗低和可并行传输的优点，所以以集成光学为主的片上光信息传输和光互连处理系统成为应对大数据时代信息数据传输容量需求问题的一个有效方式。而这样的系统往往由大量的光学器件单元联合组成，因此设计制造高性能的集成度高的片上光学器件具有重要作用。片上模式复用解复用系统由于其利用波导可支持的多个模式进行信息的并行传输处理，在提高信息传输容量和速度方面具有极大的优势，而在这个系统中模式转换器起着关键的作用。科研人员对其已进行了一些研究，传统的模式转换器大多由渐变的波导耦合结构实现，比如定向耦合器、多模干涉耦合器等，这类基于耦合结构实现的光子器件尽管性能不错，但是耦合长度多为几十微米，有的甚至高达几百微米，尺寸较大，不利于提高片上系统的集成度。超构材料和超构表面是一类由人为设计的亚波长结构单元组成的实现特定功能的一类结构，其具有极大的灵活性，通过定制设计可以在微纳尺度对光场进行任意调控。将其引入波导结构实现模式转换可以使得模式转换器件尺寸变小，提高集成度，但是目前基于超表面实现的模式转换器大多是在波导引中入横向的折射率调制微扰结构单元，其尽管实现模式转换的转换长度相对较短，但是其存在带宽受限、损耗较大的问题。因此提出合理的方式和合适的结构来实现超紧凑高性能的模式转换具有重要意义。
发明内容
为了解决现有波导模式转换器件难以同时兼顾转换尺寸与转换性能的问题，以及现有的基于超表面结构的模式转换引入横向折射率调制造成损耗较大、带宽受限的问题，本发明提供了一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，通过在波导的横截面设计一定长度的纵向的二元折射率调制结构，通过对纵向折射率区域的的长度和材料分布进行逆向设计优化，实现一个超紧凑、超宽带的模式转换，该方式可以拓展到任意阶模式的转换。本发明为提高片上集成系统中器件的集成度和性能提供了一种新的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，包括宽度不同的输入波导(宽度w1)和输出波导(宽度w2)，以及具有纵向折射率调制功能的折射率微扰调制结构，其中：
所述宽度w1和宽度w2的取值需保证波导支持对应输入及待输出模式的存在及稳定传输；
所述输入波导与输出波导采用非中心轴对称的方式连接，输入波导与输出波导之间的中心偏移量为Py，调整中心偏移量的大小从而保证器件结构的能量透射率；
所述输出波导的横截面引入折射率微扰调制结构，折射率微扰调制结构位于输入波导和输出波导的拼接边界上且沿波导传输正方向延伸，为了在超紧凑的尺寸下实现高效的转换，延伸长度Lx通过优化得到，优化范围选择波长附近，根据优化结果取值，一般取实现高性能转换的下的较小尺寸；
所述折射率微扰调制结构为由多个矩形结构单元组成的二元折射率微扰调制结构，每个矩形单元结构的填充材料为硅或空气，实现所需模式转换功能的折射率微扰调制结构的材料分布由逆向设计优化得到。
一种上述波导模式转换器的逆向设计优化方法，包括如下步骤：
步骤一、在不引入折射率微扰调制结构的条件下调制输入波导与输出波导之间的波导中心偏移量Py使能量透射率达到最高值，波导中心偏移量会影响输入波导与输出波导的能量耦合大小(即能量透射率)，随着偏移量的增加能量透射率会先增加达到最高值后降低，因此将波导中心偏移量选择为能量透射率达到最高值时的对应值；
步骤二、在确定波导中心偏移量Py之后，在输出波导的横截面中设计延伸长度为Lx的纵向的二元折射率微扰调制结构，对于沿x方向传播的光，引入折射率微扰调制的输出波导的两个模式之间的耦合系数κmn用下式表示：
其中，积分面为输出波导的横截面，Em(y,z)为导模m的横截面场分布，Δε(x,y,z)表示输出波导内引入的介电微扰分布，En(y,z)为导模n的横截面场分布；
步骤三、优化折射率调制结构：将输出波导的横截面离散为多个矩形结构单元，每个单元结构的填充材料为硅或空气，采用直接二元搜索算法对不同延伸长度下Lx的输出波导横截面的材料分布进行优化，优化的目标函数为模式转换效率，得到实现高转换效率的纵向折射率调制结构，其中，模式转换效率的定义为：
其中，Pout(TEn)为输出端目标模式n的功率，Pin(TEm)为输入端输入模式m的功率。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明通过在波导中引入优化的纵向折射率调制结构，对光场进行变换调控实现了在一个紧凑的转换尺寸下高性能大带宽的转换，具体表现为对于TE0-TE1的转换，在转换长度为1.5μm的条件下(与波长尺寸相当)，转换效率高达93.5％，在波长范围为1310～1720nm内串扰均小于-10dB。在转换长度为3μm的条件下，转换效率高达96.3％，在波长范围为1320～1800nm内串扰均小于-10dB。总之这是一种尺寸较小高性能大带宽的模式转换器，这种结构和方法还易于拓展到其他集成光子功能结构的设计。
附图说明
图1是本发明提供的纵向折射率调制的波导模式转换结构示意图。
图2是本发明提供的未加折射率调制的非中心轴对称波导结构图。
图3是本发明提供的未加折射率调制的非中心轴偏移量对能量传输效率的影响曲线图。
图4是本发明提供的不同折射率调制转换长度下的优化函数变化曲线图。
图5是本发明提供的转换长度分别为1.5μm和3μm的优化后的折射率调制结构的截面图。
图6是本发明提供的转换长度分别为1.5μm和3μm的优化后的器件实现模式转换时的场分布结果图。
图7是本发明提供的优化后的转换长度为1.5μm的模式转换器性能参数随波长的变化曲线图。
图8是本发明提供的优化后的转换长度为3μm的模式转换器性能参数随波长的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，通过在波导中引入优化的纵向的二元折射率微扰调制结构实现不同阶数模式之间的转换，这种纵向折射率微扰调制结构在实现模式转换时具有损耗低、转换尺寸紧凑、带宽大的特点。所述波导模式转换器采用的波导为SOI波导结构，芯层材料为硅，厚度为h，上下包层材料分别为空气和二氧化硅。该模式转换器由输入波导、输出波导和具有纵向折射率调制功能的折射率微扰调制结构构成。
根据模式耦合原理，当在波导中引入折射率微扰调制结构时，波导内的模式之间会发生耦合，沿传播方向波导模的耦合方程为：
其中，Am和An分别为波导导模m和导模n的振幅，βm和βn分别为导模m和导模n的传播常数，κmn和κnm分别为两个模式之间的耦合系数。根据微扰理论，两个模式之间的耦合系数可以用下式表示：
其中，积分面为波导的横截面，Em(y,z)为导模m的横截面场分布，Δε(x,y,z)表示波导内引入的介电微扰分布。由此可以分析可得通过选择合适的折射率微扰调制结构，能够实现模式转换。
对于TE0-TE1(模式奇偶性不同)的转换，首先输入波导和输出波导采用非中心轴对称连接，通过调整不加折射率微扰调制结构时的两波导中心偏移量保证能量传输效率。
在保证能量传输效率的条件下，在波导中引入纵向的折射率微扰调制结构，对不同转换区域长度(延伸长度)下的折射率分布以模式转换效率最大化为目标进行优化，从而得到实现模式转换的优化后的纵向折射率微扰调制结构。优化后的折射率微扰调制结构仅包含几个简单的折射率调控通道即可在一个较小的转换长度下，实现高性能的模式转换，这种方式带来的散射界面较少，损耗低，带宽大。此方法同样适用于其他任意模式之间的转换。
实施例：
本实施例主要针对TE0-TE1(模式奇偶性不同)的转换进行详细说明，其他模式之间的转换采用类似的方法也可以得到。
本实施例涉及的基于纵向折射率调制的波导模式转换器结构如图1所示。波导为典型的SOI结构，其中宽度为w1的波导为输入波导，宽度为w2的波导为输出波导，波导芯层材料为硅，上包层为空气，下包层为二氧化硅，波导厚度h为220nm。对于TE0-TE1的转换，w1设为400nm，w2设为1000nm，输入波导与输出波导的中心呈非轴对称，输出波导的横截面(虚线框所示)引入折射率微扰调制结构，折射率微扰调制结构在输入波导和输出波导的拼接边界上沿x方向传播的延伸长度为Lx。根据模式耦合原理，通过合理调整折射率微扰调制结构的分布，可以实现模式转换。
为了保证非中心轴对称的两个波导之间的能量传输效率，首先需要在不加折射率微扰调制的条件下调制波导中心偏移量对能量传输效率的影响，不加折射率微扰调制的波导结构的俯视图如图2所示，波导的中心偏移量为Py。使用时域有限差分法计算得到的不同偏移量下的能量传输效率如图3所示。由图3可以看出，当中心偏移量Py＝0.233μm时，能量传输效率最大为97.2％。因此在此后的设计中，将波导的中心偏移量设为97.2％。
由此前的分析，在波导中引入折射率微扰调制结构可以实现模式转换，需要合理的调制折射率微扰的分布。本实施例主要设计纵向的折射率微扰调制结构即图1所示。对于复杂折射率微扰调制结构而言，采用逆向设计的优化方式来得到目标折射率分布是一种很好的方法，因此本实施例将采用逆向设计在不同延伸长度下进行优化实现模式转换。具体地，将输出波导的横截面离散为10×11个小的矩形单元结构，每个矩形结构单元的尺寸为100nm×20nm，每个结构单元的材料为硅或者空气，设置全部的结构单元的初始材料为硅，在输入波导中输入中心波长为1.55μm的TE0模式光，在不同延伸长度Lx下(0.5～3μm之间)以模式转换效率为目标函数(FOM)对结构单元的材料分布进行优化，优化算法选用为DBS(directbinary search)算法。计算得到的不同转换长度下目标函数的结果如图4所示。从图4可以得到，在延伸长度Lx＝L1＝1.5μm时，转换效率为93.5％，在延伸长度Lx＝L2＝3μm时，转换效率为96.3％。延伸长度与之前的研究相比较短，从而实现了一个超紧凑的模式转换。
图5是两个不同延伸长度下的优化后的波导横截面折射率分布即材料分布，延伸长度Lx＝L1＝1.5μm下的结果如图5(a)所示，延伸长度Lx＝L2＝3μm下的结果如图5(b)所示。从图5中可以发现，本实施例设计的纵向折射率微扰调制结构优化后的结构比较简单，仅需要几个通道即可实现模式转换。
图6(a)和(b)分别为延伸长度为1.5μm和3μm下的优化后的实现模式转换时场分布结果。从图6中可以很清楚的观察到输入的TE0模很好的实现了向TE1模的转换，输出模式场的对称性很好，说明模式纯度高，串扰较低。
下面对波导模式转换器件的性能进行详细分析。本实施例计算了优化后的延伸长度Lx＝L1＝1.5μm下的器件在不同波长下的性能结果如图7所示。从图7可以发现，模式转换效率在波长范围为1370～1610nm之间均大于90％，模式纯度在波长范围为1310～1720nm之间均大于90％，串扰在波长1310～1720nm之间小于-10dB，总的能量损耗小于1dB。同样地方式得到优化后的延伸长度为Lx＝L2＝3μm的器件在一个宽的波长范围下的性能结果如图8所示，从图8中发现，该器件的模式转换效率在波长范围为1410～1630nm之间均大于90％，模式纯度在波长范围为1380～1680nm之间均大于90％，串扰在波长1320～1800nm之间小于-10dB，总的能量损耗小于0.8dB。因此，可以看出本实施例得到的超紧凑的模式转换器可以在一个大的带宽内保持较好的性能，与之前得相关研究相比，性能得到了提升。
本发明通过在波导中引入纵向的折射率微扰调制结构，采用优化的方法得到了一个超紧凑超宽带的波导模式转换器，这对于提高片上集成系统的集成度和性能十分有利。实施例中虽仅对TE0-TE1的转换进行了详细阐述，但其他阶次模式的转换均可以采用相同的结构和方法得到，仅需对某些参数进行修改调整。
Claims (5)
1.一种基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，其特征在于所述波导模式转换器包括宽度不同的输入波导和输出波导，以及具有纵向折射率调制功能的折射率微扰调制结构，其中：
所述输入波导与输出波导采用非中心轴对称的方式连接；
所述输出波导的横截面引入折射率微扰调制结构，折射率微扰调制结构位于输入波导和输出波导的拼接边界上且沿波导传输正方向延伸；
所述折射率微扰调制结构为由多个矩形结构单元组成的二元折射率微扰调制结构。
2.根据权利要求1所述的基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，其特征在于所述波导模式转换器采用的波导为SOI波导结构，芯层材料为硅，上下包层材料分别为空气和二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器，其特征在于所述矩形单元结构的填充材料为硅或空气。
4.一种权利要求1-3任一项所述基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器的逆向设计优化方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、在不引入折射率微扰调制结构的条件下调制输入波导与输出波导之间的波导中心偏移量Py使能量透射率达到最高值；
步骤二、在确定波导中心偏移量Py之后，在输出波导的横截面中设计延伸长度为Lx的纵向的二元折射率微扰调制结构，对于沿x方向传播的光，引入折射率微扰调制的输出波导的两个模式之间的耦合系数κmn用下式表示：
其中，积分面为输出波导的横截面，Em(y,z)为导模m的横截面场分布，Δε(x,y,z)表示输出波导内引入的介电微扰分布，En(y,z)为导模n的横截面场分布；
步骤三、优化折射率调制结构：将输出波导的横截面离散为多个矩形结构单元，每个单元结构的填充材料为硅或空气，采用直接二元搜索算法对不同延伸长度下Lx的输出波导横截面的材料分布进行优化，优化的目标函数为模式转换效率，得到实现高转换效率的纵向折射率调制结构。
5.根据权利要求4所述的基于纵向折射率调制的超紧凑超宽带的波导模式转换器的逆向设计优化方法，其特征在于所述模式转换效率的定义为：
其中，Pout(TEn)为输出端目标模式n的功率，Pin(TEm)为输入端输入模式m的功率。
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- 2022-11-24 CN CN202211486075.6A patent/CN115826139A/zh active Pending
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2023
- 2023-05-25 CN CN202310600091.1A patent/CN116540357A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116449560A (zh) * | 2023-04-04 | 2023-07-18 | 南通大学 | 一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法 |
| CN116449560B (zh) * | 2023-04-04 | 2023-12-29 | 南通大学 | 一种光通信中绝热锥形波导的逆向设计方法 |
| CN116482856A (zh) * | 2023-04-25 | 2023-07-25 | 南通大学 | 一种光通信系统中绝热模式转换器的优化设计方法 |
| CN116482856B (zh) * | 2023-04-25 | 2024-01-26 | 南通大学 | 一种光通信系统中绝热模式转换器的优化设计方法 |
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| CN116540357A (zh) | 2023-08-04 |
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