CN116540360A - 一种双偏振多模式的层间波导耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双偏振多模式的层间波导耦合器，属于光电子器件与集成技术领域，其包括：下波导层、包层和上波导层；其中，所述下波导层和上波导层都由1×2多模干涉仪型波导构成；其中，1×2多模干涉仪型波导由一个输入波导、一个锥型波导、一个宽多模干涉波导、两个输出波导依次连接构成；其中，两个输出波导的宽度由宽变窄，且由亚波长光栅结构构成；上波导层在下波导层的竖直方向的上方，且互不接触，中间由包层相互隔离。本发明技术方案的层间波导耦合器可以实现双偏振多种模式的层间耦合功能，同时具有尺寸小、耦合效率高、工作带宽大、工艺容差大等优点，有望提升片上三维光学芯片互连和开关的传输容量。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件与集成技术领域，具体涉及一种双偏振多模式的层间波导耦合器。
背景技术
近年来，片上集成光子技术以其低成本、低功耗、高集成度的优势得到了高速发展，单纯的依靠微缩物理尺寸已无法满足光子芯片在二维平面上高集成密度的需要，三维光子集成技术应运而生。作为片上互连和输入/输出应用的重要器件，层间耦合器是三维光子芯片双层甚至多层结构中不可或缺的一部分，已经被广泛研究并应用于光学相控阵、微环阵列、级联光开关等领域。目前，已经报道了多种用于光纤芯片耦合和多层耦合的三维锥型耦合器，其研究方向主要针对单一模式的耦合传输，以实现更小的占地面积、更高的耦合效率和更低的串扰。为了进一步提升三维集成光学芯片的密度和传输容量，双偏振多模式的层间耦合器也是关键的部件，但尚未被研究。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明公开了一种多双偏振多模式的层间波导耦合器，旨在解决现有层间波导耦合器结构和技术方案无法实现双偏振多种模式的层间耦合传输问题，并进一步提升三维集成光学芯片的密度和传输容量。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种双偏振多模式的层间波导耦合器，所述层间波导耦合器包括下波导层、包层和上波导层；其中，所述下波导层和上波导层由1×2多模干涉仪型波导构成。
本发明技术方案的进一步改进在于：在竖直方向上，所述上波导层在上层，所述下波导层在下层，且互不接触，中间由包层相互隔离；沿光场横向传播方向上，所述上波导层和下波导层结构具有交叠耦合区域。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述1×2多模干涉仪型波导由一个输入波导、一个锥型波导、一个宽多模干涉波导、两个输出波导依次连接构成，上波导层包括依次连接的上波导层输出波导、上波导层宽多模干涉波导、上波导层锥型波导和上波导层输入波导，下波导层包括依次连接的下波导层输入波导、下波导层锥型波导、下波导层宽多模干涉波导和下波导层输出波导。
采用此技术方案，当光束从下波导层耦合到上波导层的过程中，输入基模，下波导层的1×2多模干涉仪型波导可以将基模分为相位相同的两束基模，并通过1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导进行层间耦合传输到上波导层，在通过1×2多模干涉仪型波导合束恢复基模，如此可以实现双偏振多种模式的层间耦合功能，同时本发明所提出的器件具有尺寸小、耦合效率高、工作带宽大、工艺容差大等优点，是一项发展片上三维集成光学芯片技术的重要而有意义的工作。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上波导层的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导和下波导层的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导沿光场横向传播方向相互交叠，满足层间波导耦合条件。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述1×2多模干涉仪型波导为偏振不敏感型多模式的1×2功率分束器，双偏振多个模式能够同时实现高效率的1×2功率分束。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上波导层的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导和下波导层的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导为绝缘锥型波导，宽度由宽变窄，为亚波长光栅结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上波导层和下波导层的材料选自硅、氮化硅、III-V族材料或聚合物的一种，包层的材质为二氧化硅；所述上波导层和下波导层的间隔尺寸为0-500nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述下波导层为1×2多模干涉仪型硅波导，下波导层宽多模干涉波导的大小L2×w2为15×6.2μm2，下波导层输入波导的宽度w1设置为2.5μm，下波导层锥形波导长度L1设置为15μm，下波导层输出波导为绝热锥形，宽度从3μm到0.12μm，长度为65μm，所述上波导层为1×2多模干涉仪型氮化硅波导，上波导层宽多模干涉波导的大小L5×w6为10×6.2μm2，上波导层输入波导的宽度w5设置为2.5μm，上波导层锥形波导长度L4设置为15μm，上波导层输出波导宽度从3μm到0.2μm，长度为65μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：下波导层为1×2多模干涉仪型硅波导，下波导层输出波导亚波长光栅结构的周期Λ1设计为100nm，占空比a1设计为20nm；上波导层为1×2多模干涉仪型氮化硅波导，波导层输出波导亚波长光栅结构的周期Λ2设计为150nm，占空比a2设计为50nm；下波导层输出波导和波导层输出波导耦合区域的重叠长度L7为10μm。
作为本发明的进一步改进，类似于从下波导层耦合到上波导层的过程，基模和一阶模可以通过上波导层的1×2多模干涉仪型波导分离并转换为基模，然后耦合到下层波导中，再通过下波导层的1×2多模干涉仪型波导实现发射和恢复。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明技术方案的层间波导耦合器通过优化两个反向多模干涉仪结构的几何参数，来实现同时支持TE0、TE1、TM0、TM1四种模式的耦合，提升三维集成光学芯片的密度和传输容量。
第二，本发明所提供的双偏振多模式的层间波导耦合器，耦合区域采用亚波长光栅结构设计，加速光场耦合，具有尺寸小、耦合效率高、工作带宽大、工艺容差大等优点。
附图说明
图1为本发明实例中双偏振多模式的层间波导耦合器的三维结构示意图；
图2为本发明实例中双偏振多模式的层间波导耦合器的截面结构示意图；
图3为本发明实例中双偏振多模式的层间波导耦合器的平面结构示意图；
图4为本发明实例TE0模式在不同方向截面的模拟光场分布图；
图5为本发明实例TE1模式在不同方向截面的模拟光场分布图；
图6为本发明实例TM0模式在不同方向截面的模拟光场分布图；
图7为本发明实例TM1模式在不同方向截面的模拟光场分布图；
图8为本发明实例双偏振多个模式在1450-1650nm波段的模拟耦合传输谱。
其中：1、下波导层，2、包层，3、上波导层，4、下波导层输入波导，5、下波导层锥型波导，6、下波导层宽多模干涉波导，7、下波导层输出波导，8、上波导层输出波导，9、上波导层宽多模干涉波导，10、上波导层锥型波导，11、上波导层输入波导。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种双偏振多模式的层间波导耦合器包括：下波导层1、包层2和上波导层3；所述下波导层和上波导层都由1×2多模干涉仪型波导构成；在竖直方向(z轴)上，所述上波导层3在上层，所述下波导层1在下层，且互不接触，中间由包层2相互隔离；沿光场横向传播方向(x轴)上，所述上波导层3和下波导层1结构具有交叠耦合区域。
下波导层1的材料设置为硅，包层2的材料设置为二氧化硅，上波导层3的材料设置为氮化硅。
如图3所示，所述1×2多模干涉仪型波导由一个输入波导、一个锥型波导、一个宽多模干涉波导、两个输出波导依次连接构成，上波导层为1×2多模干涉仪型氮化硅波导，包括依次连接的上波导层输出波导8、上波导层宽多模干涉波导9、上波导层锥型波导10和上波导层输入波导11，下波导层1为1×2多模干涉仪型硅波导，包括依次连接的下波导层输入波导4、下波导层锥型波导5、下波导层宽多模干涉波导6和下波导层输出波导7。
所述1×2多模干涉仪型波导设计为偏振不敏感型多模式的1×2功率分束器，确保双偏振多个模式(TE0、TE1、TM0、TM1)能够同时实现高效率的1×2功率分束。对于1×2多模干涉仪型硅波导，宽多模干涉波导的大小L2×w2为15×6.2μm2，下波导层输入波导4的宽度w1设置为2.5μm，以支持基模和一阶模，下波导层锥形波导长度L1设置为15μm，以扩展模场直径。下波导层输出波导7为绝热锥形，宽度从3μm到0.12μm，长度为65μm。类似于硅波导的参数设置，1×2多模干涉仪型氮化硅波导的主要参数设计为：上波导层宽多模干涉波导9的大小L5×w6为10×6.2μm2，上波导层输入波导11的宽度w5设置为2.5μm，上波导层锥形波导10长度L4设置为15μm，上波导层输出波导8宽度从3μm到0.2μm，长度为65μm。
上波导层3的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导8和下波导层1的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导7为绝缘锥型波导，宽度由宽变窄，为亚波长光栅结构，能缩短耦合长度，加速光场耦合，提高耦合效率。硅输出波导亚波长光栅结构的周期Λ1设计为100nm，占空比a1设计为20nm；氮化硅输出波导亚波长光栅结构的周期Λ2设计为150nm，占空比a2设计为50nm；硅输出波导和氮化硅输出波导耦合区域的重叠长度L7为10μm。
如图4-7为本发明实施例TE0、TE1、TM0、TM1模式在不同方向截面的模拟光场分布图，同时采用三维有限时域差分(3D FDTD)法对其光场分布进行了数值计算。
如图4以TE0基模为例，在1550nm的波长下，TE0输入的光波导被分成两个相位相同的TE0模式(TE0—TE0)，然后通过所设计的层间耦合器传输到氮化硅波导，最后，两个具有相同相位的TE0模式在氮化硅波导中组合以形成TE0模式(TE0—TE0)。
如图5以TE1一阶模为例，TE1输入的光波导被分成两个具有π相位差的TE0模式(TE1—TE0)，然后通过所设计的层间波导耦合器传输到氮化硅波导，最后，两个具有π相位差的TE0模式在氮化硅波导中组合以形成TE1模式(TE0—TE1)。该器件对TM偏振的工作机理与TE偏振的工作机理相同。
图8为仿真模拟的传输光谱，可以观察到，在1450nm至1650nm范围内，TE0和TE1模式的传输损耗均小于0.73dB，TM0和TM1模式的传输损耗均小于0.36dB，表明本发明在200nm的波段上具有较低的传输损耗，可见本发明实例得双偏振多模式的层间波导耦合器可以同时支持(TE0、TE1、TM0、TM1)四种模式的层间耦合，具有支持多模式、高耦合效率、小尺寸和低传输损耗的特点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述层间波导耦合器包括下波导层(1)、包层(2)和上波导层(3)；其中，所述下波导层(1)和上波导层(3)由1×2多模干涉仪型波导构成。
2.根据权利要求1所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：在竖直方向上，所述上波导层(3)在上层，所述下波导层(1)在下层，且互不接触，中间由包层(2)相互隔离；沿光场横向传播方向上，所述上波导层(3)和下波导层(1)结构具有交叠耦合区域。
3.根据权利要求1所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述1×2多模干涉仪型波导由一个输入波导、一个锥型波导、一个宽多模干涉波导、两个输出波导依次连接构成，上波导层(3)包括依次连接的上波导层输出波导(8)、上波导层宽多模干涉波导(9)、上波导层锥型波导(10)和上波导层输入波导(11)，下波导层(1)包括依次连接的下波导层输入波导(4)、下波导层锥型波导(5)、下波导层宽多模干涉波导(6)和下波导层输出波导(7)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述上波导层(3)的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导(8)和下波导层(1)的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导(7)沿光场横向传播方向相互交叠，满足层间波导耦合条件。
5.根据权利要求3所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述1×2多模干涉仪型波导为偏振不敏感型多模式的1×2功率分束器，双偏振多个模式能够同时实现高效率的1×2功率分束。
6.根据权利要求3所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述上波导层(3)的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导(8)和下波导层(1)的1×2多模干涉仪型波导的两个输出波导(7)为绝缘锥型波导，宽度由宽变窄，为亚波长光栅结构。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述上波导层(3)和下波导层(1)的材料选自硅、氮化硅、III-V族材料或聚合物的一种，包层(2)的材质为二氧化硅；所述上波导层(3)和下波导层(1)的间隔尺寸为0-500nm。
8.根据权利要求7所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：所述下波导层(1)为1×2多模干涉仪型硅波导，下波导层宽多模干涉波导(6)的大小L2×w2为15×6.2μm2，下波导层输入波导(4)的宽度w1设置为2.5μm，下波导层锥形波导(5)长度L1设置为15μm，下波导层输出波导(7)为绝热锥形，宽度从3μm到0.12μm，长度为65μm，所述上波导层(3)为1×2多模干涉仪型氮化硅波导，上波导层宽多模干涉波导(9)的大小L5×w6为10×6.2μm2，上波导层输入波导(11)的宽度w5设置为2.5μm，上波导层锥形波导(10)长度L4设置为15μm，上波导层输出波导(8)宽度从3μm到0.2μm，长度为65μm。
9.根据权利要求8所述的一种双偏振多模式的层间波导耦合器，其特征在于：下波导层(1)为1×2多模干涉仪型硅波导，下波导层输出波导(7)亚波长光栅结构的周期Λ1设计为100nm，占空比a1设计为20nm；上波导层(3)为1×2多模干涉仪型氮化硅波导，波导层输出波导(8)亚波长光栅结构的周期Λ2设计为150nm，占空比a2设计为50nm；下波导层输出波导(7)和波导层输出波导(8)耦合区域的重叠长度L7为10μm。
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