CN116540354A - 基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，包括：硅衬底、掩埋氧化层、硅波导层和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的第一表面，硅波导层生长于掩埋氧化层远离硅基衬底的一面，上包层覆盖掩埋氧化层远离硅基衬底的一面，并包裹住硅波导层；硅波导层由中心正交的两个相同直通波导组成；每个直通波导均包括依次连接的输入波导、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导A、亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器波导、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导B和输出波导。本发明通过优化插入的亚波长孔阵列的结构参数，可以使得两种偏振模在亚波长孔阵辅助的MMI中拍长相等，大大缩短交叉器中的MMI的长度，进而缩短总的器件长度。
Description
技术领域
本发明属于集成光学技术，具体为一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器。
背景技术
如今，人们已经广泛认识到基于绝缘体硅(SOI)构建的光子集成电路的重要性。因为这种光子集成电路具有高折射率的对比度和与当前CMOS处理技术的兼容性两大特征。硅基波导交叉器在特定路径下低损耗传输信号并且可以不影响交叉信道。到目前为止，研究员已经设计出多种基于绝缘体上硅材料平台的交叉器结构，如基于过渡锥形、多模干涉耦合器、绝热锥形、反向设计超材料等各种结构。但是上述的交叉设计因为是基于SOI构建的而存在偏振敏感性的缺点，所以大部分仅适用于TE或TM单偏振模式。然而高性能和小尺寸的双偏振波导交叉器对于偏振分复用(PDM)和偏振不敏感光开关等片上集成系统具有重要意义。目前，现有技术鲜有实现同时满足高性能和小尺寸的双偏振波导交叉器。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，包括：
硅衬底、掩埋氧化层、硅波导层和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的第一表面，所述硅波导层生长于掩埋氧化层远离硅基衬底的一面，所述上包层覆盖掩埋氧化层远离硅基衬底的一面，并包裹住所述硅波导层；
所述硅波导层由中心正交的两个相同直通波导组成；
每个直通波导均包括依次连接的输入波导、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导A、亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器波导、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导B和输出波导。
优选地，所述输入波导、所述输出波导的宽度小于多模干涉耦合器波导。
优选地，所述过渡波导A中波导宽度从输入波导宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导宽度相同，过渡波导B中波导宽度从多模干涉耦合器波导宽度逐渐减小至与输出波导宽度相同。
优选地，所述过渡波导A中心沿光传播方向排列设置有第一亚波长孔阵列，所述多模干涉耦合器波导中心沿光传播方向排列设置有第二亚波长孔阵列，所述过渡波导B中心沿光传播方向排列设置有第三亚波长孔阵列。
优选地，所述第一亚波长孔阵列的孔的宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导中孔宽度相同；过渡波导B与过渡波导A关于结构中心线偶对称，第三亚波长孔阵列的孔的宽度变化趋势与过渡波导A中第一亚波长孔阵列的孔的宽度变化趋势相反。
优选地，所述第二亚波长孔阵列的孔宽度一致。
优选地，第一亚波长孔阵列、第二亚波长孔阵列以及第三亚波长孔阵列的孔内均填充上包层材料。
优选地，第一亚波长孔阵列、第二亚波长孔阵列以及第三亚波长孔阵列的光栅周期满足∧<∧Bragg＝λ/2ne，其中ne是亚波长光栅孔阵列的等效折射率，近似估计为
式中，nC和nCl分别是亚波长光栅孔阵列中高折射率硅材料和孔内低折射率材料的折射率，∧为光栅周期，a为每个周期内高折射率硅材料的长度，λ为传输光的波长。
优选地，低折射率包层材料为折射率小于硅的介质材料。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、设计灵活度高：在亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器中使用亚波长光栅的孔来进行辅助，而这些孔的特点在于折射率可调控，可以通过调整插入孔阵列的结构参数来灵活改变两种偏振模在亚波长孔阵辅助的MMI中出现的自镜像的距离(两个偏振模的拍长)。
2、结构紧凑：通过优化插入的亚波长孔阵列的结构参数(如周期，占空比，宽度等)，可以使得两种偏振模在亚波长孔阵辅助的MMI中拍长相等，大大缩短交叉器中的MMI的长度，进而缩短总的器件长度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器的示意图；
图2为本发明实施例1中硅波导层高度为220nm的SOI平台上双偏振波导交叉器波导层的横截面结构。
图3为本发明实施例1中不同偏振的拍长与亚波长孔宽度的变化关系图。
图4为本发明实施例1中在1550nm的工作波长下TE和TM偏振模的传输率与波长的变化关系图。
图5为本发明实施例1中TE偏振在设计的交叉器中的光场传输分布。
图6为本发明实施例1中TM偏振在设计的交叉器中的光场传输分布。
图7为本发明实施例1中基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器的立体图。
附图标记：输入波导-1；过渡波导A-2；多模干涉耦合器波导-3；过渡波导B-4；输出波导-5；第二亚波长孔阵列-6、第一亚波长孔阵列-7、第三亚波长孔阵列-8、中心交叉区域-9、硅基衬底-10、掩埋氧化层-11、上包层-12、硅波导层-13。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
本发明构思为，如图1和图2所示，一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，包括：
硅衬底10、掩埋氧化层11、硅波导层13和上包层12，其中掩埋氧化层11生长于硅基衬底10的第一表面，所述硅波导层13生长于掩埋氧化层11远离硅基衬底10的一面，所述上包层12覆盖掩埋氧化层11远离硅基衬底10的一面，并包裹住所述硅波导层13；
所述硅波导层13由中心正交的两个相同直通波导组成；正交的两个亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器波导构成中心交叉区域9。
每个直通波导均包括依次连接的输入波导1、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导A2、亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器波导3、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导B4和输出波导5。
进一步的实施例中，所述输入波导1、所述输出波导5的宽度小于多模干涉耦合器波导3。
进一步的实施例中，所述过渡波导A2中波导宽度从输入波导1宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导3宽度相同，过渡波导B4中波导宽度从多模干涉耦合器波导3宽度逐渐减小至与输出波导5宽度相同。
进一步的实施例中，所述过渡波导A2中心沿光传播方向排列设置有第一亚波长孔阵列7，所述多模干涉耦合器波导3中心沿光传播方向排列设置有第二亚波长孔阵列6，所述过渡波导B4中心沿光传播方向排列设置有第三亚波长孔阵列8。
进一步的实施例中，所述第一亚波长孔阵列7的孔的宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导3中孔宽度相同；过渡波导B4与过渡波导A2关于结构中心线偶对称，第三亚波长孔阵列8的孔的宽度变化趋势与过渡波导A2中第一亚波长孔阵列7的孔的宽度变化趋势相反。
进一步的实施例中，所述第二亚波长孔阵列6的孔宽度一致。
进一步的实施例中，第一亚波长孔阵列7、第二亚波长孔阵列6以及第三亚波长孔阵列8的孔内均填充上包层材料12。
多模干涉耦合波导3(MMI)具有自镜像效应，即发射的光场分布图案能够在MMI中以周期性间隔的方式出现，即周期性地出现自镜像。相邻自镜像的距离称为拍长。因此，利用这一原理，可将光信号聚焦在较宽的MMI的中心区域，若两种偏振入射光场的自镜像同时出现在某一位置，则可将此位置作为基于MMI的硅波导交叉器的中心聚焦位置，此时光场传输的散射损耗很小，且对正交通路信号影响很小。
这种情况下，交叉器MMI部分的长度通常选择为中心聚焦位置到初始点距离的两倍。拍长可由以下公式给出：
其中Lπ是拍长，βi0和βi2是基模和二阶模的传播常数，ni0和ni2分别是i偏振的基模和二阶模的有效折射率(i为TE或TM)。
由于拍长与入射信号偏振态相关，为了实现双偏振交叉器的功能，MMI耦合器所需总长度LM应满足以下关系：
其中p和q是正整数，可以使用双偏振自镜像长度的公共倍数来确定交叉位置和MMI长度。
为了使器件尺寸最小，首选p＝q＝1。然而，对于传统的基于MMI的交叉器来说只有通过改变MMI耦合器的宽度才能满足该条件。
在亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器中第一亚波长孔阵列(7)，第二亚波长孔阵列(6)，第三亚波长孔阵列(8)是亚波长光栅结构。亚波长光栅(SWG)结构是不同材料的周期性排列，它的周期比入射光的波长短。在深亚波长区域内，亚波长光栅波导可以近似建模为等效的同质材料。硅和低折射率材料的比例决定SWG波导的等效折射率。对于给定的占空比(孔的长度与光栅周期之比)，SWG的等效折射率由如下公式给出：
其中n||是SWG的等效折射率(入射偏振方向与SWG高低折射率材料交界面平行)，f是占空比，n1和n2分别是孔内包层和硅材料的折射率。通过改变亚波长孔阵列的占空比，可以调整其等效材料折射率。
为了保持SWG波导在亚波长状态下工作，亚波长光栅孔阵列的光栅周期∧必须显著短于布拉格周期，以此来抑制衍射效应。即∧<∧Bragg＝λ/2ne必须满足，其中ne是SWG中心的等效折射率，可以近似估计为
这里，nC和nCl分别是亚波长光栅孔阵列中高折射率硅材料和孔内低折射率材料的折射率，∧为光栅周期，a为每个周期内高折射率硅材料的长度，λ为传输光的波长。因此，通过改变亚波长孔阵列的结构参数(如占空比、宽度、周期等)即可灵活改变TE和TM在亚波长孔阵列辅助的MMI中对应的拍长。选择合适的结构参数可保证两种偏振态的拍长相等，此时将MMI长度取为拍长的2倍即可在理论上实现双偏振交叉器功能。
实例的预设计算参数的选择如下。硅层的厚度为220nm，四个相同输入/输出端口的宽度选择为500nm。发射的信号是TE偏振和TM偏振基本模式(TE0和TM0)。为了兼顾小尺寸和良好的自成像质量，MMI耦合器的宽度设置为2μm。连接输入/输出波导和MMI耦合器的锥形过渡波导长度为2.4μm，尺寸相对较小，损耗较低。为了保证器件在大占空比和带宽范围内工作在亚波长范围内，光栅周期选择为200nm。
图3描述了在不同占空比条件下，亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器中两种偏振模的拍频长度与孔宽度的变化关系。从该图中在占空比分别为0.5、0.6和0.7时得到的拍长来看，可以发现TM偏振的拍长对孔宽度和占空比的变化是不敏感的。因为TE模式中的场分布更集中在硅层内部，所以施加TE偏振的拍长将因为这些参数的改变而相应地发生显著变化。此外，我们看到当孔的宽度为80nm，占空比为0.6时双偏振的拍频长度均等于6.13μm。基于已经确定的尺寸，我们能够通过扫描MMI的长度来得到尺寸较小的优化的交叉器。经过扫描，我们发现，MMI长度为8.8μm时可实现双偏振波导交叉器功能。
图4描述了设计的交叉器的在1.5-1.6μm波长下的性能变化曲线(也是器件的传输光谱图)。这里优化的MMI长度为8.8μm。TE_O1是指TE入射时直通端口(O1)的传输率，TE_O2是指TE入射时交叉端口(O2)的传输率，TE_R是指TE入射时的反射率，同理，TM情况下的性能参数定义与之相似。传输率计算公式Transmission＝10log(Ioutput/Iinput)。Ioutput和Iinput分别为输出端和输入端的信号功率值。从图中可看出该波导交叉器可以在1550nm波长处稳定工作，且性能优异，并具有工作带宽大的特点。
如图5和图6所示，描述了TE和TM偏振在所设计的波导交叉器中的光场传输分布图，两种偏振的工作波长为1.55μm。从图中可以看出TE模式和TM模式均能够最终直接从直通输出波导中输出，且几乎没有损耗，对正交的通道没有影响，达到设计要求。
本发明的目的是提供一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器。在双偏振波导交叉器中两个一维亚波长孔阵列分别插入中心正交的多模干涉耦合波导的中心。并且通过采用亚波长孔辅助的多模干涉耦合器(MMI)缩短两种偏振的拍长。此外，在这种交叉器设计中，利用很强的折射率调控能力和灵活性调整亚波长孔阵列的等效折射率的特性可以能够轻松地使两种偏振的拍长相等。这种方案有效降低了交叉器的插入损耗，缩短了器件的尺寸。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
Claims (9)
1.一种基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，包括：
硅衬底(10)、掩埋氧化层(11)、硅波导层(13)和上包层(12)，其中掩埋氧化层(11)生长于硅基衬底(10)的第一表面，所述硅波导层(13)生长于掩埋氧化层(11)远离硅基衬底(10)的一面，所述上包层(12)覆盖掩埋氧化层(11)远离硅基衬底(10)的一面，并包裹住所述硅波导层(13)；
所述硅波导层(13)由中心正交的两个相同直通波导组成；
每个直通波导均包括依次连接的输入波导(1)、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导A(2)、亚波长光栅孔阵列辅助的多模干涉耦合器波导(3)、亚波长光栅孔阵列辅助的过渡波导B(4)和输出波导(5)。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，所述输入波导(1)、所述输出波导(5)的宽度小于多模干涉耦合器波导(3)。
3.根据权利要求1所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，所述过渡波导A(2)中波导宽度从输入波导(1)宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导(3)宽度相同，过渡波导B(4)中波导宽度从多模干涉耦合器波导(3)宽度逐渐减小至与输出波导(5)宽度相同。
4.根据权利要求1所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，所述过渡波导A(2)中心沿光传播方向排列设置有第一亚波长孔阵列(7)，所述多模干涉耦合器波导(3)中心沿光传播方向排列设置有第二亚波长孔阵列(6)，所述过渡波导B(4)中心沿光传播方向排列设置有第三亚波长孔阵列(8)。
5.根据权利要求4所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，所述第一亚波长孔阵列(7)的孔的宽度逐渐增加至与多模干涉耦合器波导(3)中孔宽度相同；过渡波导B(4)与过渡波导A(2)关于结构中心线偶对称，第三亚波长孔阵列(8)的孔的宽度变化趋势与过渡波导A(2)中第一亚波长孔阵列(7)的孔的宽度变化趋势相反。
6.根据权利要求4所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，所述第二亚波长孔阵列(6)的孔宽度一致。
7.根据权利要求4所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，第一亚波长孔阵列(7)、第二亚波长孔阵列(6)以及第三亚波长孔阵列(8)的孔内均填充上包层材料(12)。
8.根据权利要求4所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，第一亚波长孔阵列(7)、第二亚波长孔阵列(6)以及第三亚波长孔阵列(8)的光栅周期满足∧<∧Bragg＝λ/2ne，其中ne是亚波长光栅孔阵列的等效折射率，近似估计为
式中，nC和nCl分别是亚波长光栅孔阵列中高折射率硅材料和孔内低折射率材料的折射率，∧为光栅周期，a为每个周期内高折射率硅材料的长度，λ为传输光的波长。
9.根据权利要求4所述的基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器，其特征在于，低折射率包层(7)材料为折射率小于硅的介质材料。
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| CN202310475456.2A CN116540354A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116540354A true CN116540354A (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=87455418
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310475456.2A Pending CN116540354A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116540354A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116774351A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-09-19 | 之江实验室 | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 |
-
2023
- 2023-04-28 CN CN202310475456.2A patent/CN116540354A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116774351A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-09-19 | 之江实验室 | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 |
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