CN116931172A - 偏振无关的模斑转换器 - Google Patents
偏振无关的模斑转换器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116931172A CN116931172A CN202311199267.3A CN202311199267A CN116931172A CN 116931172 A CN116931172 A CN 116931172A CN 202311199267 A CN202311199267 A CN 202311199267A CN 116931172 A CN116931172 A CN 116931172A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- layer waveguide
- width
- upper layer
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 42
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 40
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 40
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 20
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 16
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 14
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical group N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本申请涉及一种偏振无关的模斑转换器，该模斑转换器包括：上层波导和下层波导，上层波导设置于下层波导的上方，上层波导和下层波导之间设有绝缘层；在上层波导和下层波导上下重叠的部分处，上层波导设置至少两段波导；下层波导设置至少两段与上层波导对应的波导；其中，一段波导的参数基于第一模式光而设置，另一段波导的参数基于第二模式光而设置。采用上述结构的模斑转换器能够将不同模式的光分别耦合，使模斑转换器具备偏振无关特性，改善模场失配问题。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，特别是涉及一种偏振无关的模斑转换器。
背景技术
硅光经过近几十年的发展，其规模已经从数十个分立硅光元件组成的小规模集成发展成为由数千个元件构成的大规模集成模块，并且正朝着含有数万个元件的大规模集成发展。集成化是硅光芯片发展的必然趋势。目前单从缩小元件尺寸来提高集成度的效果有限，而用于封装的各类型耦合器件是进一步缩小硅光芯片尺寸和提高硅光芯片性能的突破点。
模斑转换器是一种具有高集成度和高效率的耦合器，通过改变光场的模斑尺寸实现光从光纤到光芯片的高效耦合。
但现有的模斑转换器并没有仔细考虑不同偏振模式的光波（如TE模式和TM模式）在波导中的有效折射率的差别，不同模式的光在同一段波导中耦合容易出现模场失配问题，影响耦合效率。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够使不同偏振模式的光场在不同的波导段分别进行耦合的偏振无关的模斑转换器。
第一方面，本申请提供了一种偏振无关的模斑转换器。该模斑转换器包括：
上层波导和下层波导，所述上层波导设置于所述下层波导的上方，所述上层波导和所述下层波导之间设有绝缘层；
在所述上层波导和所述下层波导上下重叠的部分处，所述上层波导设置至少两段波导；所述下层波导设置至少两段与所述上层波导对应的波导；其中，一段所述波导的参数基于第一模式光而设置，另一段所述波导的参数基于第二模式光而设置。
在其中一个实施例中，所述上层波导包括第一上层波导、第二上层波导、第三上层波导和第四上层波导；所述下层波导包括第一下层波导、第二下层波导、第三下层波导和第四下层波导；
所述第一上层波导的末端与所述第二上层波导的起始端连接，所述第二上层波导的末端与所述第三上层波导的一端连接，所述第三上层波导的末端与所述第四上层波导的起始端连接；
所述第一下层波导的末端与所述第二下层波导的起始端连接，所述第二下层波导的末端与所述第三下层波导的一端连接，所述第三下层波导的末端与所述第四下层波导的起始端连接；
所述上层波导中的所述第二上层波导至所述第四上层波导的区域与所述下层波导中的所述第一下层波导至所述第三下层波导的区域重叠；其中，所述第一下层波导与所述第二上层波导对应设置，用于第一偏振模式光的耦合；所述第三下层波导与所述第四上层波导对应设置，用于第二偏振模式光的耦合。
在其中一个实施例中，所述第一上层波导的起始端与光纤耦合，所述第四下层波导的末端与光芯片耦合。
在其中一个实施例中，所述第二上层波导的宽度大于所述第四上层波导。
在其中一个实施例中，所述第一上层波导的起始端宽度小于所述第一上层波导的末端宽度；
所述第二上层波导的宽度不变且等于所述第一上层波导的末端宽度；
所述第三上层波导的起始端宽度大于所述第三上层波导的末端宽度；
所述第四上层波导的宽度不变且等于所述第三上层波导的末端宽度。
在其中一个实施例中，所述第一下层波导的起始端宽度小于所述第一下层波导的末端宽度；
所述第二下层波导的起始端宽度等于所述第一下层波导的末端宽度，所述第二下层波导的末端宽度大于所述第二下层波导的起始端宽度；
所述第三下层波导的宽度不变且等于所述第二下层波导的末端宽度；
所述第四下层波导起始端的宽度等于所述第三下层波导的宽度，所述第四下层波导末端的宽度小于所述第四下层波导起始端的宽度。
在其中一个实施例中，所述第一下层波导的宽度小于所述第二上层波导宽度，所述第一下层波导的长度与所述第二上层波导长度相同；
所述第三下层波导的宽度小于所述第四上层波导宽度，所述第三下层波导的长度与所述第四上层波导长度相同。
在其中一个实施例中，所述上层波导的折射率低于所述下层波导的折射率。
在其中一个实施例中，所述上层波导采用氮化硅，所述下层波导采用硅。
在其中一个实施例中，还包括衬底，所述下层波导设于所述衬底上方，所述下层波导和所述衬底之间设有绝缘层。
上述偏振无关的模斑转换器，通过间隔设置的上层波导和下层波导，在二者上下重叠的部分处，每层波导包括至少两段对应的波导，其中，一段所述波导的参数基于第一模式光而设置，另一段所述波导的参数基于第二模式光而设置，从而实现将不同模式的光分别耦合，提高耦合效率，并使模斑转换器具备偏振无关特性，改善模场失配问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为一个实施例中偏振无关的模斑转换器的结构示意图；
图2为一个实施例中双层波导形状的示意图；
图3为优选实施例中TM模式模场分布示意图；
图4为优选优选实施例中TE模式模场分布示意图；
图5为优选实施例中TM模式不同波长下的耦合效率示意图；
图6为优选实施例中TE模式不同波长下的耦合效率示意图。
附图标记：1、上层波导；101、第一上层波导；102、第二上层波导；103、第三上层波导；104、第四上层波导；2、下层波导；201、第一下层波导；202、第二下层波导；203、第三下层波导；204、第四下层波导；3、绝缘层；4、衬底；5、光纤。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计、制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本实施例中提供了一种偏振无关的模斑转换器，图1是本实施例的偏振无关的模斑转换器的结构示意图，图1中包括两个视角下的模斑转换器的结构示意图，其中，位于上方的示意图为基于xz平面下的结构示意图，位于下方的示意图为基于yz平面下的结构示意图。如图1所示，偏振无关的模斑转换器包括：上层波导1和下层波导2，上层波导1设置于下层波导2的上方，上层波导1和下层波导2之间设有绝缘层3；在上层波导1和下层波导2上下重叠的部分处，上层波导1设置至少两段波导；下层波导2设置至少两段与上层波导1对应的波导；其中，一段波导的参数基于第一模式光而设置，另一段波导的参数基于第二模式光而设置。
具体的，基于模式耦合效应，当两个光波导之间的距离相近时，光波导之间的电磁场会相互作用，使能量在两个波导之间进行传输。因此，当光从上层波导1输入时，光在上层波导1和下层波导2上下重叠的部分，从上层波导1耦合至下层波导2，并从下层波导2输入；下层波导2也可以作为光的输入端，将光从下层波导2耦合至上层波导1进行输出。
具体的，输入模斑转换器的光束可能包含第一模式光和第二模式光，第一模式光和第二模式光偏振模式不同，在同一波导中的折射率也不同。因此，在波导上下重叠的部分中，将上层波导1和下层波导2对应设置的第一段波导的宽度、长度和线形等参数根据第一模式光的折射率进行设计，将上层波导1和下层波导2对应设置的第二段波导的宽度、长度和线形等参数根据第二模式光的折射率进行设计。从而实现当输入模斑转换器的光经过第一段波导时，第一模式光会从一层波导耦合至另一层波导中进行传输，而第二模式光在第一段波导处不会耦合，只有传输到第二段波导处，才会从一层波导耦合至另一层波导。
上述本实施例通过上下两层波导，在重叠部分的分段设计，实现两种偏振模式的光场分别在不同位置进行耦合，提高了每一种模式光场的耦合效果，实现高效的偏振无关的模斑转换。
在一个实施例中，如图2所示，上层波导1包括第一上层波导101、第二上层波导102、第三上层波导103和第四上层波导104；下层波导2包括第一下层波导201、第二下层波导202、第三下层波导203和第四下层波导204。
第一上层波导101的末端与第二上层波导102的起始端连接，第二上层波导102的末端与第三上层波导103的一端连接，第三上层波导103的末端与第四上层波导104的起始端连接。
第一下层波导201的末端与第二下层波导202的起始端连接，第二下层波导202的末端与第三下层波导203的一端连接，第三下层波导203的末端与第四下层波导204的起始端连接。
上层波导1中的第二上层波导102至第四上层波导104的区域与下层波导2中的第一下层波导201至第三下层波导203的区域重叠；其中，第一下层波导201与第二上层波导102对应设置，用于第一偏振模式光的耦合；第三下层波导203与第四上层波导104对应设置，用于第二偏振模式光的耦合。
具体的，上层波导1和下层波导2各包括四段波导，每段波导可以设计成不同的宽度、长度和线形，以满足光在不同阶段的传输需求。
其中，第一上层波导101的起始端可以与光纤5耦合，第四下层波导204的末端可以与光芯片耦合，实现光从光纤5到光芯片的可靠耦合，解决光纤5耦合到光芯片时的模场失配问题。
具体的，当光需要从光纤5输入光芯片时，第一上层波导101用来和光纤5进行耦合并进行绝热传输和模斑转换；第二上层波导102和第一下层波导201对应设置，用来实现第一模式光的耦合；第三上层波导103作为过渡段，将第二上层波导102和第四上层波导104过渡连接，使第一模式光继续传输到第四上层波导104；第四上层波导104和第三下层波导203对应设置，用来实现第二模式光的耦合。在第一下层波导201和第三下层波导203之间设有第二下层波导202进行过渡，将耦合进下层波导2的第一模式光向光芯片一端传输；第四下层波导204将传输来的第一模式光和第二模式光耦合到光芯片中，完成整个模斑转换和耦合过程。
上述实施例通过四段波导设计，通过绝热传输和模斑转换，使两种类型光纤5之间或光纤5和光芯片之间的的传输模式匹配，解决耦合时的模场失配问题，实现光的无损传输。
在一个实施例中，如图2所示，第二上层波导102的宽度大于第四上层波导104；第一上层波导101的起始端宽度小于第一上层波导101的末端宽度；第二上层波导102的宽度不变且等于第一上层波导101的末端宽度；第三上层波导103的起始端宽度大于第三上层波导103的末端宽度；第四上层波导104的宽度不变且等于第三上层波导103的末端宽度。
具体的，第一上层波导101起始端宽度可设置在180-220 nm范围内，其末端宽度设为0.9μm，第一上层波导101的长度设为265μm。第二上层波导102的宽度设为0.9μm，其长度可设置在25-35μm范围内。第三上层波导103的起始端宽度设为0.9μm，末端宽度设为0.62μm，长度为5-15μm，用来连接两种宽度的氮化硅波导。第四上层波导104宽度设为0.62μm，长度为25-35μm。
其中，上层波导1中起始端宽度与末端宽度不相同的波导段，其宽度可设为线性变化也可设为非线性的平滑过渡变化，避免宽度突变带来的传输损耗。
上述实施例通过对上层波导1各段的宽度进行设计，利用波导宽度与模斑直径成反比的关系，将光纤5中的大模斑从上层波导1的尖端耦合进来，并使末端宽度与第一模式光（例如TM模式）的传输特性相匹配，设置宽度不变的第二上层波导102，同时根据第二模式光（例如TE模式）的传输特性减小宽度，实现高效的耦合。
在一个实施例中，如图2所示，第一下层波导201的起始端宽度小于第一下层波导201的末端宽度；第二下层波导202的起始端宽度等于第一下层波导201的末端宽度，第二下层波导202的末端宽度大于第二下层波导202的起始端宽度；第三下层波导203的宽度不变且等于第二下层波导202的末端宽度；第四下层波导204起始端的宽度等于第三下层波导203的宽度，第四下层波导204末端的宽度小于第四下层波导204起始端的宽度；
第一下层波导201的宽度小于第二上层波导102宽度，第一下层波导201的长度与第二上层波导102长度相同；第三下层波导203的宽度小于第四上层波导104宽度，第三下层波导203的长度与第四上层波导104长度相同。
具体的，第一下层波导201的起始端宽度设为0.18μm，末端宽度为0.2μm，长度与第二上层波导102的长度相同，可设置在25-35μm范围内。第二下层波导202的起始端宽度0.2μm，末端宽度为0.22μm，长度与第三上层波导103相同，可设在5-15μm范围之内。第三下层波导203的宽度为0.22μm，长度与第四上层波导104相同，可设在25-35μm范围之内。第四下层波导204的起始端宽度设为0.22μm，末端宽度设为0.5μm，与标准CMOS工艺中硅波导宽度匹配，其长度为150μm。
其中，上层波导1和下层波导2中起始端宽度与末端宽度不相同的波导段，其宽度可设为线性变化也可设为非线性的平滑过渡变化，以减小光能的损耗。
上述实施例对下层波导2各段的宽度进行设计，第一下层波导201通过渐变的设计能够增大线宽，第一下层波导201与第二下层波导202连续的渐变能够以更长的长度减缓宽度的变化幅度，以减小传输损耗。同时第一下层波导201的宽度与第一模式光（例如TM模式）的传输特性相匹配，第三下层波导203的宽度与第二模式光（例如TE模式）的传输特性相匹配，实现高效的分段耦合。
在一个实施例中，上层波导1的折射率低于下层波导2的折射率。
其中，上层波导1采用氮化硅，下层波导2采用硅。
具体的，耦合器波导的材料有很多种，最常见的是硅波导、氮化硅波导、铌酸锂波导等。其中基于硅材料的波导是研究地最多的一种，但其折射率相对较高，因此需要很窄的波导宽度才能实现高效的耦合，所需波导宽度越窄对工艺要求越高，成本越高，也不利于规模的扩大。氮化硅折射率较低，相较于硅波导而言对线宽的要求不高，因此通过两者的结合可设计出大线宽、高效率的模斑转换器。
如此，通过氮化硅辅助，借助氮化硅超低损耗和大线宽的优势，使偏振无关的模斑转换器获得高耦合效率，降低宽度误差对模斑转换的影响，提高生产的效率。
在一个实施例中，如图1所示，偏振无关的模斑转换器还包括衬底4，下层波导2设于衬底4上方，下层波导2和衬底4之间设有绝缘层3。
具体的，以硅晶圆为衬底4，衬底4和下层波导2的垂直间隔为3μm，上层波导1和下层波导2垂直间隔为1.0-1.2μm。波导上覆盖的绝缘层3宽度为15-20μm，绝缘层3整体厚度为10-13μm。
如此，可以基于广泛应用的SOI（Silicon-On-Insulator）结构的衬底4实现上述任一实施例中偏振无关的模斑转换器的设计。
需要说明的是以上任一实施例所使用的参数为一个范围值，具体数值需根据所需工作波长进行优化以得到更好的实施效果。
下面通过优选实施例对本实施例进行描述和说明。
参见图1，本优选实施例的偏振无关的模斑转换器以硅晶圆作为衬底4，包括上层波导1和下层波导2，上层波导1为氮化硅波导，下层波导2为硅波导。下层波导2和衬底4之间、上层波导1和下层波导2之间均有二氧化硅绝缘层3，上层波导1厚度为0.3-0.7μm，下层波导2厚度为标准的0.22μm，其中衬底4和下层波导2垂直间隔为3μm，上层波导1和下层波导2垂直间隔为1.0-1.2μm。波导上覆盖的绝缘层34宽度为15-20μm，绝缘层3整体厚度为10-13μm。光从光纤5输入，经过上层波导1和下层波导2进行模斑转换和耦合，最后经由下层波导2输出到光芯片中。
具体地，本优选实施例两层波导的形状如图2所示：
上层波导1包括第一上层波导101、第二上层波导102、第三上层波导103和第四上层波导104；下层波导2包括第一下层波导201、第二下层波导202、第三下层波导203和第四下层波导204。
第一上层波导101的末端与第二上层波导102的起始端连接，第二上层波导102的末端与第三上层波导103的一端连接，第三上层波导103的末端与第四上层波导104的起始端连接。
第一下层波导201的末端与第二下层波导202的起始端连接，第二下层波导202的末端与第三下层波导203的一端连接，第三下层波导203的末端与第四下层波导204的起始端连接。
第一上层波导101用来和光纤5进行耦合，并将来自光纤5的包含不同模式的光进行绝热传输和模斑转换，其尖端宽度为180-220nm，长度为265μm，末端宽度为0.9μm。第二上层波导102的一端和第一上层波导101连接，且宽度保持不变，为0.9μm，其长度为25-35μm，该第二上层波导102和第一下层波导201进行耦合，用来实现TM模式的耦合。第三上层波导103的两端分别与第二上层波导102的另一端和第四上层波导104的一端连接，第三上层波导103前端宽度和第二上层波导102相同，为0.9 μm，中间宽度按照线性变化，末端宽度为0.62μm，长度为5-15μm，用来连接两种宽度的氮化硅波导。第四上层波导104和第三上层波导103连接，且宽度保持不变，为0.62μm，长度为25-35μm，第四上层波导104和第三下层波导203进行耦合，用来实现TE模式的耦合。
第一下层波导201尖端宽度为0.18μm，末端宽度为0.2μm，长度需和第二上层波导102相同，第一下层波导201和第二上层波导102进行耦合，将TM模式的光从上层波导1耦合到下层波导2中。第二下层波导202的两端分别与第一下层波导201和第三下层波导203连接，第二下层波导202前端宽度和第一下层波导201相同为0.2μm，末端宽度为0.22μm，中间宽度按照线性变化，长度为5-15μm，用来连接两种不同宽度的硅波导。第三下层波导203的两端分别与第二下层波导202和第四下层波导204连接，第三下层波导203宽度为0.22μm，并且宽度保持不变，长度需和第四上层波导104保持相同，第三下层波导203和第四上层波进行耦合，将TE模式的光从上层波导1耦合到下层波导2中。第四下层波导204的一端和第三上层波导103连接，尖端宽度为0.22μm，末端宽度和标准CMOS工艺中硅波导宽度一致，为0.5μm，长度为150μm，将耦合到下层波导2中的光场输出到光芯片中，完成整个模斑转换和耦合过程。
本优选实施例采用多段式的波导设计，能够将TM和TE两种偏振模式分别耦合，具备偏振无关特性，且针对两种偏振模式的特点通过优化耦合波导的长度、宽度和线形参数来得到最佳的耦合效率。本优选实施例还采用氮化硅辅助硅波导的双层结构设计，利用了氮化硅超低损耗和大线宽的优势，结合波导设计，能以较大的硅波导线宽获得高耦合效率，降低了对工艺的要求。最后，本优选实施例提出的结构及波导材料均和CMOS工艺兼容，可以和CMOS标准硅光工艺互补，进一步降低了成本，有利于大规模制备。
针对本优选实施例设计的模斑转换器结构，对TM和TE的耦合分别进行了时域有限差分法（FDTD）建模和仿真，其中，工作波长为1550 nm。
仿真TM模式的耦合，即第二上层波导102和第一下层波导201之间的耦合，经过对各个参数进行优化后得到的仿真结果如图3所示：从仿真结果可以看出，上层波导1中的TM模式的光场在第二上层波导102和第一下层波导201处发生耦合，模场能量从上层波导1耦合进入了下层波导2，并且一直传输到下层波导2的输出端，在TE耦合段没有发生TM模式的耦合。
仿真TE模式的耦合，即第四上层波导104和第三下层波导203之间的耦合，经过对各个参数进行优化后得到的仿真结果如图4所示：氮化硅中的TE模式的光场在设计处，即第四上层波导104和第三下层波导203之间发生耦合，模场能量从上层波导1耦合进入了下层波导2，之后一直传输到下层波导2的输出端。在TM耦合区域没有发生TE模式的耦合。
从上述两个仿真结果可以看出，TM和TE模式实现了分离耦合。
并且，基于本优选实施例对整个系统进行仿真，记录了从光纤5输入到经过第四下层波导204输出的TE和TM两种模式的不同波长下的耦合效率，如图5和图6所示，可以看出，TM模式在工作波长为1550 nm时的耦合效率为81.81%（0.872dB），TE模式在工作波长为1550nm时的耦合效率为87.42%(0.584dB)，偏振相关损耗为0.288 dB，表明光场从光纤5经过模斑转换器实现了偏振无关地高效耦合。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种偏振无关的模斑转换器，其特征在于，包括：上层波导和下层波导，所述上层波导设置于所述下层波导的上方，所述上层波导和所述下层波导之间设有绝缘层；
在所述上层波导和所述下层波导上下重叠的部分处，所述上层波导设置至少两段波导；所述下层波导设置至少两段与所述上层波导对应的波导；其中，一段所述波导的参数基于第一模式光而设置，另一段所述波导的参数基于第二模式光而设置。
2.根据权利要求1所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述上层波导包括第一上层波导、第二上层波导、第三上层波导和第四上层波导；所述下层波导包括第一下层波导、第二下层波导、第三下层波导和第四下层波导；
所述第一上层波导的末端与所述第二上层波导的起始端连接，所述第二上层波导的末端与所述第三上层波导的一端连接，所述第三上层波导的末端与所述第四上层波导的起始端连接；
所述第一下层波导的末端与所述第二下层波导的起始端连接，所述第二下层波导的末端与所述第三下层波导的一端连接，所述第三下层波导的末端与所述第四下层波导的起始端连接；
所述上层波导中的所述第二上层波导至所述第四上层波导的区域与所述下层波导中的所述第一下层波导至所述第三下层波导的区域重叠；其中，所述第一下层波导与所述第二上层波导对应设置，用于第一偏振模式光的耦合；所述第三下层波导与所述第四上层波导对应设置，用于第二偏振模式光的耦合。
3.根据权利要求2所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述第一上层波导的起始端与光纤耦合，所述第四下层波导的末端与光芯片耦合。
4.根据权利要求2所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述第二上层波导的宽度大于所述第四上层波导。
5.根据权利要求4所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述第一上层波导的起始端宽度小于所述第一上层波导的末端宽度；
所述第二上层波导的宽度不变且等于所述第一上层波导的末端宽度；
所述第三上层波导的起始端宽度大于所述第三上层波导的末端宽度；
所述第四上层波导的宽度不变且等于所述第三上层波导的末端宽度。
6.根据权利要求2所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述第一下层波导的起始端宽度小于所述第一下层波导的末端宽度；
所述第二下层波导的起始端宽度等于所述第一下层波导的末端宽度，所述第二下层波导的末端宽度大于所述第二下层波导的起始端宽度；
所述第三下层波导的宽度不变且等于所述第二下层波导的末端宽度；
所述第四下层波导起始端的宽度等于所述第三下层波导的宽度，所述第四下层波导末端的宽度小于所述第四下层波导起始端的宽度。
7.根据权利要求2所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述第一下层波导的宽度小于所述第二上层波导宽度，所述第一下层波导的长度与所述第二上层波导长度相同；
所述第三下层波导的宽度小于所述第四上层波导宽度，所述第三下层波导的长度与所述第四上层波导长度相同。
8.根据权利要求1所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述上层波导的折射率低于所述下层波导的折射率。
9.根据权利要求1所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，所述上层波导采用氮化硅，所述下层波导采用硅。
10.根据权利要求1所述的偏振无关的模斑转换器，其特征在于，还包括衬底，所述下层波导设于所述衬底上方，所述下层波导和所述衬底之间设有绝缘层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311199267.3A CN116931172B (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 偏振无关的模斑转换器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311199267.3A CN116931172B (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 偏振无关的模斑转换器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116931172A true CN116931172A (zh) | 2023-10-24 |
| CN116931172B CN116931172B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=88390054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311199267.3A Active CN116931172B (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 偏振无关的模斑转换器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116931172B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007059147A2 (en) * | 2005-11-14 | 2007-05-24 | Applied Materials, Inc. | Semiconductor laser |
| CN111239936A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-05 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种光模块 |
| CN112882154A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-01 | 武汉华工正源光子技术有限公司 | 一种模斑变换器 |
| CN113359238A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-09-07 | 浙江大学 | 基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器 |
| CN113359234A (zh) * | 2020-03-02 | 2021-09-07 | 苏州旭创科技有限公司 | 一种模斑变换器及硅光集成芯片 |
| WO2022037301A1 (zh) * | 2020-08-19 | 2022-02-24 | 中兴光电子技术有限公司 | 绝热耦合器的绝热耦合波导段设计方法及其装置、设备 |
| CN114167545A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 南通大学 | 一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法 |
-
2023
- 2023-09-18 CN CN202311199267.3A patent/CN116931172B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007059147A2 (en) * | 2005-11-14 | 2007-05-24 | Applied Materials, Inc. | Semiconductor laser |
| CN113359234A (zh) * | 2020-03-02 | 2021-09-07 | 苏州旭创科技有限公司 | 一种模斑变换器及硅光集成芯片 |
| CN111239936A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-05 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种光模块 |
| WO2022037301A1 (zh) * | 2020-08-19 | 2022-02-24 | 中兴光电子技术有限公司 | 绝热耦合器的绝热耦合波导段设计方法及其装置、设备 |
| CN112882154A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-01 | 武汉华工正源光子技术有限公司 | 一种模斑变换器 |
| CN113359238A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-09-07 | 浙江大学 | 基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器 |
| CN114167545A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 南通大学 | 一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116931172B (zh) | 2024-03-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105829933B (zh) | 波导偏振分离和偏振转换器 | |
| CN112255727B (zh) | 端面耦合器和半导体器件 | |
| CN109407229B (zh) | 一种端面耦合器 | |
| EP3208960B1 (en) | Mode converter | |
| CN109270627A (zh) | 一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器 | |
| CN115079345B (zh) | 一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器 | |
| CN107533197A (zh) | 一种偏振旋转器及光信号处理方法 | |
| CN117092748B (zh) | 一种紧凑型绝热模式演化器 | |
| CN104076433A (zh) | 一种光纤模式分离器 | |
| CN112305671A (zh) | 基于狭缝波导的锥形偏振分束器及制备方法 | |
| CN111273404B (zh) | 一种两模端面耦合器 | |
| CN116931172B (zh) | 偏振无关的模斑转换器 | |
| CN114839722B (zh) | 一种异构多模波导耦合器 | |
| CN114035269B (zh) | 模斑转换器及其制备方法 | |
| CN108363142B (zh) | 一种矩形波导模式转换器件 | |
| CN112596254B (zh) | 基于光子晶体的紧凑型偏振分束器 | |
| CN115291334A (zh) | 一种硅基pin调制的te0/te1多模电光开关 | |
| JP2020042225A (ja) | 光導波路素子 | |
| CN111025474B (zh) | 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器 | |
| Cheng et al. | High Efficiency and Compact Spot Size Converter for LNOI Integrated Device | |
| CN115291333B (zh) | 一种可重构的硅基多模微环谐振器 | |
| CN118778176A (zh) | 一种te4模式和te6模式之间转换的双层绝热转换器 | |
| CN114545546B (zh) | 一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器 | |
| CN109407211B (zh) | 一种波导元件及分合束器 | |
| CN118795597A (zh) | 一种te6模式和tm1模式之间转换的双层绝热转换器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |