CN117092748A - 一种紧凑型绝热模式演化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型绝热模式演化器，属于集成光学技术领域。该绝热模式演化器包括下包层、上包层及硅芯，下包层的上端设置硅芯，硅芯的四周设置上包层；TE1模式从输入端输入，第一绝热锥形波导传输TE1模式至第一绝热模式转换器，第一绝热模式转换器将TE1模式演化成TM0模式，第二绝热锥形波导传输TM0模式至过渡结构，通过过渡结构传输TM0模式至第三绝热锥形波导，第三绝热锥形波导传输TM0模式至第二绝热模式转换器，第二绝热模式转换器将TM0模式演化成TE1模式并传输至第四绝热锥形波导，第四绝热锥形波导通过输出端将TE1模式输出。本发明实现TE1模式到TM0模式再到TE1模式的循环演化传输。
Description
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种紧凑型绝热模式演化器。
背景技术
在电子系统中，互连是通过使用导线，同轴电缆或半导体集成电路中的导电通道进行的。光子互连可以类似地通过使用具有集成光学或光纤耦合的光波导来实现。硅光子学由于与互补金属氧化物半导体工艺的制造兼容性以及硅光子器件的占地面积小，被认为是高速片上/片外光学互连的有前途的解决方案。在紧凑的硅光子器件中，由于硅芯(n＝3.455)和SiO2包层(n＝1.445)之间的高折射率差异，硅波导的宽度通常可以窄至0.5μm，在论文Y.F.Fu,T.Ye,W.J.Tang,et al.Efficient adiabatic silicon-on-insulatorwaveguide taper[J].Photonics Research,2014,2(3):A41-A44.体现了这一点。
硅锥形波导可以用作光斑尺寸大小的转换器，将硅光子波导与外部光纤或光学染料连接起来，在论文V.R.Almeida,R.R.Panepucci,M.Lipson.Nanotaper for compactmode conversion[J].Optics Letters,2003,28(15):1302-1304.中体现了这一点。基于硅锥形波导的绝热模式演化器可以将输入端的指定波导模式会慢慢演变为输出端的指定波导模式，而不会明显激发其他不希望存在的波导模式，并且从指定输入波导模式到指定输出波导模式的功率传输很高。目前绝热模式演化器尺寸大、成本高、封装困难，这就与光子集成芯片朝更高集成度的发展趋势背道而驰。随着集成光学技术的发展，绝热模式演化器需要实现单片集成，以减小器件尺寸，提高集成度和可靠性，并降低成本。
发明内容
为了解决目前绝热模式演化器存在结构复杂、尺寸大的技术问题，本发明的目的在于提供一种绝热模式演化器，具有尺寸小、损耗低、传输效率高、结构简单的优点。
为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种绝热模式演化器，包括下包层、上包层及硅芯，所述下包层的上端设置硅芯，所述硅芯的四周设置上包层，沿光束传播方向，所述硅芯包括依次连接的输入端、第一绝热锥形波导、第一绝热模式转换器、第二绝热锥形波导、过渡结构、第三绝热锥形波导、第二绝热模式转换器、第四绝热锥形波导及输出端；TE1模式从输入端输入，第一绝热锥形波导传输TE1模式至第一绝热模式转换器，第一绝热模式转换器将TE1模式演化成TM0模式，第二绝热锥形波导传输TM0模式至过渡结构，通过过渡结构传输TM0模式至第三绝热锥形波导，第三绝热锥形波导传输TM0模式至第二绝热模式转换器，第二绝热模式转换器将TM0模式演化成TE1模式并传输至第四绝热锥形波导，第四绝热锥形波导通过输出端将TE1模式输出。
进一步地，入射光束波长设置为1550nm；硅芯的折射率nSi＝3.455，厚度为h2＝220nm，宽度W的变化范围从0.4μm到1.5μm；所述输入端和所述输出端为平行板波导，宽度分别为WI＝1.5μm和WO＝1.5μm。
进一步地，所述下包层的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，厚度为h1＝500nm，宽度为W0>W；上包层为空气。
进一步地，所述第一绝热锥形波导与第四绝热锥形波导以过渡结构对称分布，第一绝热锥形波导和第二绝热锥形波导分别由3个连续的线性片段构成。
进一步地，所述第一绝热模式转换器与第二绝热模式转换器以过渡结构对称分布，第一绝热模式转换器与第二绝热模式转换器分别由3个连续的线性片段构成。
进一步地，所述第二绝热锥形波导和第三绝热锥形波导以过渡结构对称分布，第二绝热锥形波导和第三绝热锥形波导分别由2个连续的线性片段构成。
进一步地，所述过渡结构为平行板波导，用于TM0模式的过渡传输，宽度为W4＝0.4μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明的绝热模式演化器可以实现TE1模式到TM0模式再到TE1模式的循环演化传输；
(2)本发明方案在效率方面要远远好于传统线性连接方案；当要实现98％的传输效率时，本发明方案只需要12.4μm的长度，而传统线性连接方案需要990μm的长度，其所需要的长度是本发明方案所需要长度的80倍，本发明方案大幅度地减少了绝热模式演化器的器件尺寸，可以实现光子集成芯片中的小型化设计。
附图说明
图1为本发明实施例绝热模式演化器的立体示意图；
图2为本发明实施例绝热模式演化器的硅芯示意图；
图3为本发明绝热模式演化器第一绝热锥形波导的结构示意图；
图4为本发明绝热模式演化器第一绝热模式转换器的结构示意图；
图5为本发明绝热模式演化器第二绝热锥形波导的结构示意图；
图6为本发明绝热模式演化器与传统线性连接方案的模式传输效率对比图；
图7为传统线性连接方案的结构示意图；
其中，附图标记为：1-下包层；2-硅芯；3-上包层；4-输入端；5-第一绝热锥形波导；6-第一绝热模式转换器；7-第二绝热锥形波导；8-过渡结构；9-第三绝热锥形波导；10-第二绝热模式转换器；11-第四绝热锥形波导；12-输出端。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1所示，一种绝热模式演化器，包括下包层1、上包层3及硅芯2，下包层1的上端设置硅芯2，硅芯2的四周设置上包层3；沿光束传播方向，硅芯2包括依次连接的输入端4、第一绝热锥形波导5、第一绝热模式转换器6、第二绝热锥形波导7、过渡结构8、第三绝热锥形波导9、第二绝热模式转换器10、第四绝热锥形波导11及输出端12；TE1模式从输入端4输入，第一绝热锥形波导5传输TE1模式至第一绝热模式转换器6，第一绝热模式转换器6将TE1模式演化成TM0模式，第二绝热锥形波导7传输TM0模式至过渡结构8，通过过渡结构8传输TM0模式至第三绝热锥形波导9，第三绝热锥形波导9传输TM0模式至第二绝热模式转换器10，第二绝热模式转换器10将TM0模式演化成TE1模式并传输至第四绝热锥形波导11，第四绝热锥形波导11通过输出端12将TE1模式输出。
入射光束波长设置为1550nm；硅芯2的折射率nSi＝3.455，厚度为h2＝220nm，宽度W的变化范围从0.4μm到1.5μm。输入端4和输出端12为平行板波导，宽度分别为WI＝1.5μm和WO＝1.5μm。输入端4的长度LI和输出端12的长度LO的选择对整个结构没有影响，可以根据需要进行选择。下包层1的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，厚度为h1＝500nm，宽度为W0>W；上包层3为空气。
如图2所示，一种绝热模式演化器的硅芯2宽度变化的连接方式。TE1模式从输入端输入，输出端用于将TE1模式输出。第一绝热锥形波导5的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W1＝1.5μm和W2＝0.70μm，总长度Lt1，用于将宽度W1处的TE1模式传输到W2处的TE1模式。第一绝热模式转换器6的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W2＝0.70μm和W3＝0.62μm，总长度Lt2，用于将宽度W2处的TE1模式演化到W3处的TM0模式。第二绝热锥形波导7的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W3＝0.62μm和W4＝0.40μm，总长度Lt3，用于将宽度W3处的TM0模式传输到W4处的TM0模式。过渡结构8为平行板波导，用于TM0模式的过渡传输，宽度为W4＝0.4μm，长度L4的选择对整个结构没有影响，可以根据实际需要进行选择。第三绝热锥形波导9的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W4＝0.40μm和W3＝0.62μm，总长度Lt3，用于将宽度W4处的TM0模式传输到W3处的TM0模式。第二绝热模式转换器10的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W3＝0.62μm和W2＝0.70μm，总长度Lt2，用于将宽度W3处的TM0模式演化到W2处的TE1模式。第四绝热锥形波导11的初始波导宽度和末端波导宽度分别为W2＝0.70μm和W1＝1.5μm，总长度Lt1，用于将宽度W2处的TE1模式传输到W1处的TE1模式。
整个绝热模式演化器关于过渡结构8对称分布，因此只需要通过仿真确定第一绝热锥形波导5、第一绝热模式转换器6、以及第二绝热锥形波导7的中各个片段的器件长度即可。
第一绝热锥形波导5与第四绝热锥形波导11以过渡结构8对称分布，第一绝热锥形波导5和第二绝热锥形波导11分别由3个连续的线性片段构成，各个线性片段对称分布且结构参数相同。如图3所示，在第一绝热锥形波导5中，片段一由直线连接宽度W1＝1.5μm和W11＝1.2μm，长度L1-11＝1.344μm；片段二由直线连接宽度W11＝1.2μm和W12＝0.77μm，长度L11-12＝1.843μm；片段三由直线连接宽度W12＝0.77μm和W2＝0.70μm，长度L12-2＝5.387μm；总长度Lt1＝8.574μm。第一绝热锥形波导5中的片段一与第四绝热锥形波导11的片段一对称分布且结构参数相同，第一绝热锥形波导5中的片段二与第四绝热锥形波导11的片段二对称分布且结构参数相同，第一绝热锥形波导5中的片段三与第四绝热锥形波导11的片段三对称分布且结构参数相同。
第一绝热模式转换器6与第二绝热模式转换器10以过渡结构8对称分布，第一绝热模式转换器6与第二绝热模式转换器10分别由3个连续的线性片段构成。如图4所示，在第一绝热模式转换器6中，片段四由直线连接宽度W2＝0.70μm和W21＝0.67μm，长度L2-21＝10.729μm；片段五由直线连接宽度W21＝0.67μm和W22＝0.65μm，长度L21-22＝12.143μm；片段六由直线连接宽度W22＝0.65μm和W3＝0.62μm，长度L22-3＝10.347μm；总长度Lt2＝33.219μm。第一绝热模式转换器6中的片段四与第二绝热模式转换器10的片段四对称分布且结构参数相同，第一绝热模式转换器6中的片段五与第二绝热模式转换器10的片段五对称分布且结构参数相同，第一绝热模式转换器6中的片段六与第二绝热模式转换器10的片段六对称分布且结构参数相同。
第二绝热锥形波导7和第三绝热锥形波导9以过渡结构8对称分布，第二绝热锥形波导7和第三绝热锥形波导9分别由2个连续的线性片段构成。如图5所示，在第一绝热模式转换器7中，片段七由直线连接宽度W3＝0.62μm和W31＝0.58μm，长度L3-31＝3.745μm；片段八由直线连接宽度W31＝0.58μm和W4＝0.40μm，长度L31-4＝2.48μm；总长度Lt2＝6.225μm。第二绝热锥形波导7的片段七和第三绝热锥形波导9的片段七对称分布且结构参数相同，第二绝热锥形波导7的片段八和第三绝热锥形波导9的片段八对称分布且结构参数相同。
通过以上的布局就可以实现TE1模式到TM0模式再到TE1模式的循环传输，构成本发明的绝热模式演化器。本发明设计的绝热模式演化器的模式传输效率如图6。从图6中可以看出，当要实现95％的传输效率时，本发明方案只需要11.6μm的长度，而如图7所示的传统线性连接方案需要864μm的长度，其所需要的长度是本发明方案所需要长度的74倍以上；当要实现98％的传输效率时，本发明方案只需要12.4μm的长度，而传统线性连接方案需要990μm的长度，其所需要的长度是本发明方案所需要长度的80倍。因此，本发明提出的绝热模式演化器实现了紧凑型器件的设计，可以用于光子集成芯片中各个不同功能单元之间的级联，实现光子集成芯片中的紧凑型设计。
Claims (7)
1.一种绝热模式演化器，包括下包层(1)、上包层(3)及硅芯(2)，所述下包层(1)的上端设置硅芯(2)，所述硅芯(2)的四周设置上包层(3)，其特征在于，沿光束传播方向，所述硅芯(2)包括依次连接的输入端(4)、第一绝热锥形波导(5)、第一绝热模式转换器(6)、第二绝热锥形波导(7)、过渡结构(8)、第三绝热锥形波导(9)、第二绝热模式转换器(10)、第四绝热锥形波导(11)及输出端(12)；TE1模式从输入端(4)输入，第一绝热锥形波导(5)传输TE1模式至第一绝热模式转换器(6)，第一绝热模式转换器(6)将TE1模式演化成TM0模式，第二绝热锥形波导(7)传输TM0模式至过渡结构(8)，通过过渡结构(8)传输TM0模式至第三绝热锥形波导(9)，第三绝热锥形波导(9)传输TM0模式至第二绝热模式转换器(10)，第二绝热模式转换器(10)将TM0模式演化成TE1模式并传输至第四绝热锥形波导(11)，第四绝热锥形波导(11)通过输出端(12)将TE1模式输出。
2.根据权利要求1所述的绝热模式演化器，其特征在于，入射光束波长设置为1550nm；硅芯(2)的折射率nSi＝3.455，厚度为h2＝220nm，宽度W的变化范围从0.4μm到1.5μm；所述输入端(4)和所述输出端(12)为平行板波导，宽度分别为WI＝1.5μm和WO＝1.5μm。
3.根据权利要求2所述的绝热模式演化器，其特征在于，所述下包层(1)的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，厚度为h1＝500nm，宽度为W0>W；上包层(3)为空气。
4.根据权利要求2所述的绝热模式演化器，其特征在于，所述第一绝热锥形波导(5)与第四绝热锥形波导(11)以过渡结构(8)对称分布，第一绝热锥形波导(5)和第二绝热锥形波导(11)分别由3个连续的线性片段构成。
5.根据权利要求2所述的绝热模式演化器，其特征在于，所述第一绝热模式转换器(6)与第二绝热模式转换器(10)以过渡结构(8)对称分布，第一绝热模式转换器(6)与第二绝热模式转换器(10)分别由3个连续的线性片段构成。
6.根据权利要求2所述的绝热模式演化器，其特征在于，所述第二绝热锥形波导(7)和第三绝热锥形波导(9)以过渡结构(8)对称分布，第二绝热锥形波导(7)和第三绝热锥形波导(9)分别由2个连续的线性片段构成。
7.根据权利要求2所述的绝热模式演化器，其特征在于，所述过渡结构(8)为平行板波导，用于TM0模式的过渡传输，宽度为W4＝0.4μm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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