CN116880011A - 一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线。本发明包含模式复用器、输入波导、两条螺旋弯曲波导、S型波导、输出波导和模式解复用器。其中S型波导位于两条螺旋弯曲波导中间，用于连接两者，输入波导置于螺旋弯曲波导前面，用于连接螺旋波导与模式复用器，输出波导置于螺旋弯曲波导后面，用于连接螺旋弯曲波导与模式解复用器。本发明通过将输入的基模转换成高阶模式可以在更宽的宽度下实现零色散波导，多模波导可以降低光场与波导表面的散射损耗，实现零色散波导的同时降低传输损耗，可应用于光频梳、四波混频、光学参量振荡器等系统。
Description
技术领域
本发明属于硅基集成光学领域的一种光延迟线，尤其是涉及了一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线。
背景技术
硅基光子芯片在制造工艺兼容性和超高折射率对比度方面有巨大优势，是下一代超密集成芯片上集成的关键技术。近年来，硅基光子学发展迅速，实现了许多大型片上系统的集成与应用，也使许多应用发生了革命性的变化，从光通信和光计算到光学传感成像和无人驾驶。硅本身具有较大的本征克尔非线性系数，比二氧化硅的本征克尔非线性系数高约240倍，比氮化硅的本征克尔非线性高约27倍，是实现四波混频等非线性应用的优选平台。除此以外，光学相干成像系统受片上光谱仪成像分辨率限制，也需要集成零色散低损耗延迟线。但是，基于基模的零色散硅波导宽度较窄，在1550nm波段为0.61μm，由于硅基光子芯片所具有的超高折射率对比度会使光场与波导表面有强散射作用，引入较大的散射损耗，因此对于零色散波导，降低其传输损耗是重中之重。
当前常用的降低波导损耗的方式主要有两种，一是改善加工工艺流程，提高加工水平，使基模零色散波导侧壁更加光滑，如热氧化、湿法刻蚀等，但这些工艺与标准流片工艺不兼容，难以大批量生产。二是通过设计波导截面形状，降低光场与波导表面的散射损耗，由于波导侧壁散射损耗是散射损耗的最大来源，主流的设计思路是降低侧壁与光场的接触面积，如使用超薄波导、展宽波导减少侧壁与光场的相互作用，但是波导的色散值与波导宽度息息相关，基于基模波导的零色散波导宽度较窄，展宽或减薄都会导致色散值的改变，零色散与低损耗不可兼得，并且超薄波导存在与标准工艺不兼容的缺点。上述问题使得当前难以实现与标准工艺相兼容的低损耗零色散螺旋光波导。
发明内容
本发明提出的目的在于解决背景技术中的问题，提供了一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，通过模式复用器将基模信号转换为高阶模信号，利用高阶模式对应的零色散波导宽度比基模对应的零色散波导宽度更宽这一特点，实现零色散的同时展宽波导宽度，降低了光场与波导侧壁的散射损耗，螺旋波导中心引入符合半径变化欧拉曲线方程的S型弯曲防止曲率突变引起损耗，也使得线圈更为紧凑，高阶模信号从螺旋线圈出来后又经由模式解复用器转换为基模信号。上述发明与标准流片工艺相兼容，可以在标准流片工艺下实现低传输损耗、零色散、结构紧凑的螺旋光波导。
为达到上述需求，本发明所采用的技术方案如下：
本发明包含模式复用器、输入波导、S型波导、输出波导、模式解复用器和两条螺旋弯曲波导；
两条螺旋弯曲波导之间相互盘绕成“蚊香”状，两条螺旋弯曲波导之间间隔布置，S型波导设置在两条螺旋弯曲波导的内部并且S型波导的两端分别与两条螺旋弯曲波导的内端相连，即两条螺旋弯曲波导通过S型波导进行连接形成螺旋延迟线，模式复用器经输入波导后与第一螺旋弯曲波导的外端相连，第二螺旋弯曲波导的外端经输出波导后与模式解复用器相连，其中模式复用器用于将基模转化为高阶模，模式解复用器用于将高阶模转化为基模。
所述输入波导和输出波导均为宽度渐变的梯形波导，输入波导输入端的宽度与模式复用器输出端的宽度相同，输入波导输出端的宽度与第一螺旋弯曲波导外端的宽度相同，输出波导输入端的宽度与第二螺旋弯曲波导外端的宽度相同，输出波导的输出端宽度与模式解复用器的输入端的宽度相同。。
所述两条螺旋弯曲波导的波导宽度等宽，弯曲半径渐变；所述两条螺旋弯曲波导的结构相同，螺旋延迟线为关于中心对称的结构，其弯曲半径满足等速螺线方程。
所述的两条螺旋弯曲波导、S型波导均为在高阶模式下色散值为零的多模波导，光信号在其中以高阶模式的形式传播。
所述的两条螺旋弯曲波导、S型波导均为展宽多模波导，光场与波导侧壁的相互作用弱，具有低传输损耗。
所述的S型波导为关于中心对称的结构，由4段90度的弯曲波导依次连接组成，每段弯曲波导的形状相同并且波导宽度相同，每段弯曲波导的弯曲半径满足欧拉曲线方程，相邻两段弯曲波导的连接处半径相同，S型波导两端的两段弯曲波导分别为与两条螺旋弯曲波导的内端相连并且相连接处的弯曲半径相同。
所述第一螺旋弯曲波导或第二螺旋弯曲波导的外端还连接有延长波导，引出波导的弯曲半径满足等速螺线方程，延长波导与螺旋弯曲波导等宽，延长波导为在高阶模式下色散值为零的多模波导，光信号在其中以高阶模式的形式传播，引出波导的长度可在不影响另外一条螺旋弯曲波导与输入波导或输出波导的连接关系的基础上调整。
通过设置所述两条螺旋弯曲波导的螺旋波导圈数及所述两条螺旋弯曲波导的波导间隔，在避免发生耦合串扰的同时，获得任意目标长度。
所述的模式复用器和模式解复用器的结构相同，模式复用器、模式解复用器的输入端和输出端相反，即模式复用器的输入端为模式解复用器的输出端，即模式复用器的输出端为模式解复用器的输入端，模式复用器包括基模耦合波导和高阶模耦合波导，基模耦合波导的中部与高阶模耦合波导的中部耦合并且耦合间距不变，基模耦合波导的两端设置为弯曲波导，使得基模耦合波导的两端与高阶模耦合波导的两端之间不耦合，基模耦合波导的宽度从输入端到输出端由宽变窄，高阶模耦合波导的宽度从输入端到输出端由窄变宽，可将基模转化为高阶模，高阶模耦合波导为梯形棱柱波导。高阶模耦合波导的输出端与输入波导相连。
所述螺旋弯曲波导与输入波导之间和/或螺旋弯曲波导与输出波导之间还通过连接波导进行连接。
所述的零色散低损耗延迟线被上包层和掩埋层包裹，掩埋层置于衬底上。上包层和掩埋层均为二氧化硅，衬底为硅。
本发明的有益效果为：
本发明通过模式复用器将基模信号转化为高阶模信号，使得零色散位置对应的波导宽度更宽，减少光场与波导侧壁的散射损耗，从而可以在标准流片工艺下同时实现零色散波导和低传输损耗，可以适用于光学相干扫描系统、四波混频器等系统。
本发明使用宽度不变的螺旋光波导，保证传输过程为零色散，并在螺旋光波导中心引入S型弯曲，使得整体结构紧凑、体积小。
本发明使用的螺旋光波导整体呈半径渐变，避免因半径突变发生模式失配引入额外损耗，降低整体传输损耗。
本发明可以通过螺旋波导圈数及波导间隔，在避免发生耦合串扰的同时，设计出任意所需要的长度。
本发明用足够长的绝热梯形光波导连接模式复用器与螺旋光波导、模式解复用器与螺旋光波导，使得光信号在其中始终以高阶模的形式传播。
本发明在输入端接入模式复用器，将输入信号转化为高阶模信号，输出端接入模式解复用器，将高阶模信号转换回基模信号，不影响其可能应用系统中的其他基模相关部分的设计。
本发明不仅适用于硅波导，同样适用于硅基片上光学的其他材料，适用于硅基光子集成领域中任何需要零色散光延迟线的器件及模块。
本发明所设计的延迟线，不仅可以在光频梳、光学参量振荡器等非线性系统中发挥作用，同样适用于任何需要延迟线的片上系统。
附图说明
图1是本发明低损耗高阶模零色散螺旋光波导的3D结构示意图。
图2是本发明的实施例所用的模式复用器与模式解复用器示意图。
图3是本发明的实施例中螺旋光波导结构示意图。
图4是本发明的实施例中S型波导结构意图。
图5是本发明的实施例中光波导截面示意图。
图6本发明的实施例中各波段下不同模式随波导宽度变化的色散曲线，其中(a)是各波段下TE0模式随波导宽度变化的色散曲线、(b)是各波段下TE1模式随波导宽度变化的色散曲线、(c)是各波段下TE2模式随波导宽度变化的色散曲线、(d)是各波段下TE3模式随波导宽度变化的色散曲线。
图7是本发明的实施例中各波段下各模式零色散对应的波导宽度以及损耗值，其中(a)是各波段下各模式零色散对应的波导宽度、(b)是各波段下各模式零色散波导宽度对应的损耗值。
图中：模式复用器1，输入波导2，螺旋弯曲波导3，S型波导4，输出波导5，模式解复用器6，高阶模耦合波导7，基模耦合波导8，上包层9，波导层10，掩埋层11，衬底12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明包含模式复用器1、输入波导2、S型波导4、输出波导5、模式解复用器6和两条螺旋弯曲波导3；两条螺旋弯曲波导3之间相互盘绕成“蚊香”状，如图3所示，两条螺旋弯曲波导3之间间隔布置，S型波导4设置在两条螺旋弯曲波导3的内部并且S型波导4的两端分别与两条螺旋弯曲波导3的内端相连，即两条螺旋弯曲波导3通过S型波导4进行连接形成螺旋延迟线，模式复用器1经输入波导2后与第一螺旋弯曲波导的外端相连，第二螺旋弯曲波导的外端经输出波导5后与模式解复用器6相连，其中模式复用器1用于将基模转化为高阶模，模式解复用器6用于将高阶模转化为基模。螺旋弯曲波导3与输入波导2之间和/或螺旋弯曲波导3与输出波导5之间还通过连接波导进行连接。
模式复用器1和模式解复用器6的结构相同，模式复用器1、模式解复用器6的输入端和输出端相反，即模式复用器1的输入端为模式解复用器6的输出端，即模式复用器1的输出端为模式解复用器6的输入端，如图2所示，模式复用器1包括基模耦合波导8和高阶模耦合波导7，基模耦合波导8的中部与高阶模耦合波导7的中部耦合并且耦合间距不变，基模耦合波导8的两端设置为弯曲波导，使得基模耦合波导8的两端与高阶模耦合波导7的两端之间不耦合，基模耦合波导8的宽度从输入端到输出端由宽变窄，高阶模耦合波导7的宽度从输入端到输出端由窄变宽，可将基模转化为高阶模，高阶模耦合波导7为梯形棱柱波导。高阶模耦合波导7的输出端与输入波导2相连。图中高阶模耦合输出波导7的W11与W12宽度不等，基模输入波导8的W21与W22宽度不等，对于TE0-TE1、TE0-TE2、TE0-TE3模式复用器1，W11分别为0.44μm、0.93μm、1.15μm，W12分别为0.62μm、1.04μm、1.3μm，W21分别为0.29μm、0.32μm、0.29μm，W22分别为0.2μm、0.26μm、0.2μm，长度分别为40μm、50μm、35μm。高阶模耦合波导7和基模输入波导8之间的耦合间距不变，在此实施例中始终为0.18μm，基模输入波导8中基模的折射率始终与高阶模耦合波导7中高阶模式的折射率相等，耦合符合超模理论。基模输入波导8两端接有由两段30度圆弧拼接而成的S型弯曲波导，输入S型弯曲半径为30μm，输出S型弯曲半径为25μm。当基模信号经由W11处输入时，W12处输出基模信号，基模输入波导8中不会耦合进光信号；当基模信号经由W21处输入时，光信号被耦合进高阶模耦合波导7，W12处输出高阶模信号。由于光路是可逆的，模式解复用器6与模式复用器互为轴对称结构，即模式解复用器6的信号由W12输入，输入信号为高阶模信号时，光信号被耦合进基模输入波导8，W21处输出基模信号；输入信号为基模信号时，光信号不会耦合进基模输入波导8，W11处输出基模信号。
输入波导2和输出波导5均为宽度渐变的梯形波导，输入波导2输入端的宽度与模式复用器1输出端的宽度相同，输入波导2输出端的宽度与第一螺旋弯曲波导外端的宽度相同，输出波导5输入端的宽度与第二螺旋弯曲波导外端的宽度相同，输出波导5的输出端宽度与模式解复用器6的输入端的宽度相同。输入波导2和输出波导5长度绝热，不改变光信号的传输模式。
两条螺旋弯曲波导3的波导宽度等宽，弯曲半径渐变。两条螺旋弯曲波导3的结构相同，螺旋延迟线为关于中心对称的结构，其弯曲半径随弧长变化满足等速螺线方程。通过设置两条螺旋弯曲波导3的螺旋波导圈数及两条螺旋弯曲波导3的波导间隔，在避免发生耦合串扰的同时，获得任意目标长度。
两条螺旋弯曲波导3、S型波导4均为在高阶模式下色散值为零的多模波导，光信号在其中以高阶模式的形式传播。两条螺旋弯曲波导3、S型波导4均为展宽多模波导，光场与波导侧壁的相互作用弱，具有低传输损耗。
第一螺旋弯曲波导或第二螺旋弯曲波导的外端还连接有延长波导，引出波导的弯曲半径满足等速螺线方程，延长波导与螺旋弯曲波导等宽，延长波导为在高阶模式下色散值为零的多模波导，光信号在其中以高阶模式的形式传播引出波导的长度可在不影响另外一条螺旋弯曲波导与输入波导2或输出波导5的连接关系的基础上调整。
如图4所示，S型波导4为关于中心对称的结构，由4段90度的弯曲波导依次连接组成，每段弯曲波导的形状相同并且波导宽度相同，每段弯曲波导的弯曲半径满足欧拉曲线方程，相邻两段弯曲波导的连接处半径相同，避免因为半径突变造成模式失配引入额外损耗。S型波导4两端的两段弯曲波导分别为与两条螺旋弯曲波导3的内端相连并且相连接处的弯曲半径相同。与两条螺旋弯曲波导3相连接处为最大半径Rmax，在此实施例中为60μm，图中最小半径Rmin在此实施例中为24μm。S型波导4的设计使得螺旋线圈光波导整体结构紧凑，传输损耗低。对于其他零色散波导宽度不同的高阶模式，可以另行设计最大半径Rmax与最小半径Rmin，以保证插入损耗足够小的同时S型弯曲体积尽可能小，整体结构尽可能紧凑。
如图5所示，本实施例中的零色散低损耗延迟线被上包层9和掩埋层11包裹，掩埋层11置于衬底12上。上包层9和掩埋层11均为二氧化硅，衬底12为硅。即模式复用器1、梯形输入波导2、两条螺旋弯曲波导3、S型波导4、输出波导5和模式解复用器6均置于衬底硅上，掩埋层11为二氧化硅，波导层10为220nm厚硅、上包层9为二氧化硅。光从W21端口输入，具体光传播顺序为：模式复用器1的W21端口、模式复用器1的W12端口、梯形输入波导2、两条螺旋弯曲波导3中第一螺旋弯曲波导、S型波导4、两条螺旋弯曲波导3中第一螺旋弯曲波导、输出波导5、模式解复用器6的W12端口、模式解复用器6的W22端口。
本发明的核心在于引入高阶模式从而展宽零色散对应的波导宽度，在实现零色散的同时降低传输损耗。所以两条螺旋弯曲波导3和S型波导4的宽度由高阶模式零色散对应的波导宽度确定，图6的(a)至图6的(d)分别是1310nm、1550nm、2000nm三个波段下TE0、TE1、TE2、TE3四个模式随波导宽度变化的色散曲线，可以看出，TE0模式在1310nm波段的零色散波导宽度是0.49μm，在1550nm波段是0.61μm，在2000nm波段没有零色散波导宽度点；TE1模式在1310nm波段的零色散波导宽度是0.94μm，在1550nm波段是1.2μm，在2000nm波段是1.74μm，不仅在2000nm波段出现了零色散波导宽度点，在各波段下的零色散宽度与TE0模式相比都有所展宽；TE2模式在1310nm波段的零色散波导宽度是1.46μm，在1550nm波段是1.86μm，在2000nm波段是2.8μm，比TE1的展宽幅度更大；TE3模式在1310nm波段的零色散波导宽度是2.28μm，在1550nm波段是2.94μm，在2000nm波段是3.8μm，相比其他三个模式在各波段的零色散波导对应宽度都最大。因此，可以得出结论，如图7的(a)所示，光信号的传输模式阶数越高，模式零色散对应宽度越宽。
由于波导的主要损耗来源于波导表面的散射损耗，因此可以通过三维体电流公式计算得到1310nm、1550nm、2000nm三个波段下各模式在宽度为零色散波导宽度的波导中的传输损耗。首先分别计算1310nm、1550nm、2000nm三个波段下，TE0、TE1、TE2、TE3四个模式在对应零色散波导宽度下的两侧表面散射损耗、上下表面损耗，然后将两者归一化，并且与对应侧壁粗糙度、表面粗糙度相乘，得到散射损耗，在本实施例中，由于波导层10为220nm厚硅，侧壁粗糙度选取4.6nm、上表面粗糙度选取0.42nm。计算结果如图7的(b)所示，1310nm、1550nm、2000nm三个波段下TE0、TE1、TE2、TE3四个模式在其对应的零色散波导中传输损耗随着模式阶数的增加而降低，通过引入高阶模，在1310nm波段下，零色散波导传输损耗可由2.8dB/cm降至0.86dB/cm，在1550nm波段的零色散波导传输损耗可由2.1dB/cm降至0.89dB/cm，在2000nm波段基模不存在零色散波导宽度点，通过引入高阶模传输光信号，出现了零色散波导宽度点，并且随着模式阶数的增大传输损耗由0.35dB/cm降至0.19dB/cm。
由于TE3模式在1550nm波段的零色散宽度已经趋近于3μm，此时光场与波导侧壁的散射作用几乎受限于上表面散射，展宽波导对于降低传输损耗的作用也逐渐饱和，再使用更高阶的模式传播光信号以进一步展宽零色散波导已没有意义。
综合上述阐述，本发明实施例如下：
在本实施例中，所有结构均在220nm厚绝缘体上硅、1550nm波段上设计实施，设计与生产工艺均具有普适性，可采用标准硅基芯片流片工艺制作。
整体结构图如图1所示，为实现低损耗零色散波导，通过模式复用器将TE0基模信号变成TE1高阶模信号，模式复用器结构如图2所示，TE0基模光信号由波导2W21处输入，W21为0.29μm，W22为0.2μm，TE1高阶模信号由波导1W12处输出，W11为0.44μm，W12为0.62μm。通过图6的(a)-图6的(d)以及图7的(a)和图7的(b)中仿真研究，将螺旋线圈光波导的宽度确定为1.2μm，在此宽度下，TE1高阶模信号在波导中传播时色散值为0。因此宽度渐变的梯形输入波导的输入宽度为0.62μm，输出宽度为1.2μm，为维持TE1传播和不产生额外损耗，长度为50μm。
螺旋线圈光波导的设计如图3所示，由两条螺旋弯曲波导、S型波导组成，两者宽度均为1.2μm，光信号在其中以TE1高阶模式的形式传播。两条螺旋弯曲波导弯曲半径随弧长变化满足等速螺线方程，相互交错放置，波导中心间距为3.5μm，在此间距下，两条螺旋弯曲波导基本不会发生耦合。S型波导结构如图4所示，由4段90度的弯曲构成，每段弯曲形状一致，Rmax＝60μm，Rmin＝24μm，其弯曲半径随角度变化满足欧拉曲线方程弯曲，两端分别于两条螺旋弯曲波导的两个内端，形成螺旋线圈光波导，连接处弯曲半径一致，均为Rmax＝60μm，避免因为半径突变造成模式失配引入额外损耗。
经过螺旋线圈光波导的TE1高阶模光信号经由模式解复用器变换成基模信号，其结构与图2所示的模式复用器成轴对称，TE1高阶模信号由波导1W12处输入，W11为0.44μm，W12为0.62μm，基模信号由波导2W21处输出，W21为0.29μm，W22为0.2μm，耦合长度40μm。同理，宽度渐变的梯形输出波导的输入宽度为1.2μm，输出宽度为0.62μm，长度为50μm。
上述实施例只是用来对本发明进行必要的解释说明，不可以此限制本发明限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，包含模式复用器(1)、输入波导(2)、S型波导(4)、输出波导(5)、模式解复用器(6)和两条螺旋弯曲波导(3)；
两条螺旋弯曲波导(3)之间相互盘绕成“蚊香”状，两条螺旋弯曲波导(3)之间间隔布置，S型波导(4)设置在两条螺旋弯曲波导(3)的内部并且S型波导(4)的两端分别与两条螺旋弯曲波导(3)的内端相连，模式复用器(1)经输入波导(2)后与第一螺旋弯曲波导的外端相连，第二螺旋弯曲波导的外端经输出波导(5)后与模式解复用器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述输入波导(2)和输出波导(5)均为宽度渐变的梯形波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述两条螺旋弯曲波导(3)的波导宽度等宽，弯曲半径渐变；所述两条螺旋弯曲波导(3)的结构相同，其弯曲半径满足等速螺线方程。
4.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述的两条螺旋弯曲波导(3)、S型波导(4)均为在高阶模式下色散值为零的多模波导，光信号在其中以高阶模式的形式传播。
5.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述的两条螺旋弯曲波导(3)、S型波导(4)均为展宽多模波导。
6.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述的S型波导(4)为关于中心对称的结构，由4段90度的弯曲波导依次连接组成，每段弯曲波导的形状相同并且波导宽度相同，每段弯曲波导的弯曲半径满足欧拉曲线方程，相邻两段弯曲波导的连接处半径相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述第一螺旋弯曲波导或第二螺旋弯曲波导的外端还连接有延长波导，引出波导的弯曲半径满足等速螺线方程。
8.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，通过设置所述两条螺旋弯曲波导(3)的螺旋波导圈数及所述两条螺旋弯曲波导(3)的波导间隔，在避免发生耦合串扰的同时，获得任意目标长度。
9.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述的模式复用器(1)和模式解复用器(6)的结构相同，模式复用器(1)、模式解复用器(6)的输入端和输出端相反，模式复用器(1)包括基模耦合波导(8)和高阶模耦合波导(7)，基模耦合波导(8)的中部与高阶模耦合波导(7)的中部耦合并且耦合间距不变，基模耦合波导(8)的两端设置为弯曲波导，使得基模耦合波导(8)的两端与高阶模耦合波导(7)的两端之间不耦合，基模耦合波导(8)的宽度从输入端到输出端由宽变窄，高阶模耦合波导(7)的宽度从输入端到输出端由窄变宽，高阶模耦合波导(7)的输出端与输入波导(2)相连。
10.根据权利要求1所述的一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线，其特征在于，所述螺旋弯曲波导(3)与输入波导(2)之间和/或螺旋弯曲波导(3)与输出波导(5)之间还通过连接波导进行连接。
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