CN117761831A - 一种基于条形波导的绝热耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种基于条形波导的绝热耦合器。本发明包括包层、第一硅芯及第二硅芯；第一硅芯、第二硅芯四周均设置包层；第一硅芯、第二硅芯均为条状波导；沿光束传播方向，第一硅芯包括依次连接的第一输入端、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导、第三绝热锥形波导、第四绝热锥形波导、第五绝热锥形波导、第六绝热锥形波导、第七绝热锥形波导及第一输出端；第二硅芯包括依次连接的第二输入端、第八绝热锥形波导、第九绝热锥形波导、第十绝热锥形波导、第十一绝热锥形波导、第十二绝热锥形波导、第十三绝热锥形波导、第十四绝热锥形波导及第二输出端。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种基于条形波导的绝热耦合器。
背景技术
光子集成芯片是现代光通信器件的核心元件，可将多个光子芯片集成到一个芯片上，从而实现多种功能的整合和协同。在未来大规模光子集成芯片中，使用高折射率对比度的硅绝缘体(silicon-on-insulator,SOI)平台上的硅光子光功率耦合器是光通信中大规模光子集成的理想候选器件，在论文K.Solehmainen,M.Kapulainen,M.Harjanne,andT.Aalto,“Adiabatic and Multimode Interference Couplers on Silicon-on-Insulator,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.18,no.21,pp.2287-2289,Nov.2006.体现了这一点。
由于硅光子光功率耦合器在光子集成芯片中的潜在用途，人们提出了各种类型的SOI光功率分束器/合路器，包括Y形分支、定向耦合器、多模干涉仪和绝热耦合器。其中，绝热耦合器实际上是基于绝热模式演化的器件，具有宽工作波长范围、低偏振相关性、低输出不平衡、低多余损耗和高制造公差等特点。然而，由于包层(SiO2)和波导(Si)层之间的高折射率对比度，基于SOI的绝热耦合器通常具有较大的器件尺寸。对于SOI平台上的传统硅波导(条形或肋形波导)，激发的超模高度局限于两个波导中。因此，绝热耦合器的尺寸需要很大(通常为≥100μm)，才能获得激发超模的充分绝热模式演化，在H.Yun,L.Chrostowski,and N.A.F.Jaeger,“Ultra-broadband 2×2adiabatic 3dB coupler usingsubwavelength-grating-assisted silicon-on-insulator strip waveguides,”Opt.Lett.,vol.43,no.8,pp.1935-1938,Apr.2018.论文体现了这一点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于条形波导的绝热耦合器，旨在设计尺寸小、损耗低、传输效率高、结构简单的绝热耦合器。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于条形波导的绝热耦合器，包括包层、第一硅芯及第二硅芯；所述第一硅芯、第二硅芯四周均设置包层；所述第一硅芯、第二硅芯均为条状波导；沿光束传播方向，所述第一硅芯包括依次连接的第一输入端、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导、第三绝热锥形波导、第四绝热锥形波导、第五绝热锥形波导、第六绝热锥形波导、第七绝热锥形波导及第一输出端；所述第二硅芯包括依次连接的第二输入端、第八绝热锥形波导、第九绝热锥形波导、第十绝热锥形波导、第十一绝热锥形波导、第十二绝热锥形波导、第十三绝热锥形波导、第十四绝热锥形波导及第二输出端；
所述包层的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0，厚度为h0；第一硅芯与第二硅芯的折射率nSi＝3.455，厚度为h＝220nm；第一硅芯和第二硅芯之间的间隙宽度设置为g＝100nm；入射光束波长为1.55μm；所述第一输入端的宽度为WI＝480nm；所述第二输入端的的宽度为wI＝480nm；所述第一输出端的宽度为WO＝610nm；所述第二输出端的宽度为wO＝350nm；所述包层的宽度和高度分别设置为W0＝3500nm和h0＝1500nm；所述第一输入端和第一输出端为平行板波导，宽度分别为WI＝480nm和WO＝610nm；所述第二输入端和第二输出端为平行板波导，宽度分别为wI＝480nm和wO＝350nm；长度LI和LO均为5000nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W1＝480nm和W2＝484nm；所述第八绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w1＝480nm和w2＝476nm；长度L1＝15492nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第二绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W2＝484nm和W2＝488nm；所述第九绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w2＝476nm和w2＝472nm；长度L2＝14099nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第三绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W3＝488nm和W4＝494nm；所述第十绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w3＝472nm和w4＝466nm；长度L3＝14393nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第四绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W4＝494nm和W5＝500nm；所述第十一绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w4＝466nm和w5＝460nm；长度L4＝10144nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第五绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W5＝500nm和W6＝510nm；所述第十二绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w5＝460nm和w6＝450nm；长度L5＝8772nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第六绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W6＝510nm和W7＝530nm；所述第十三绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w6＝450nm和w7＝430nm；长度L6＝6390nm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第七绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为W7＝530nm和W8＝610nm；所述第十四绝热锥形波导的初始端波导宽度和末端宽度分别为w7＝430nm和w8＝350nm；长度L7＝3800nm。
本发明所述的一种基于条形波导的绝热耦合器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的绝热耦合器可以实现所有能量都停留在激发的超模中，当光束模式在该绝热耦合器中传播时，既不会发生模式干扰，也不会发生模式转换。
(2)本发明在效率方面要远远好于传统直线连接方案。当要实现96％的传输效率时，本发明只需要15μm的长度，而传统直线连接设计需要121.5μm的长度，其所需要的长度是本发明所需要长度的8.1倍，本发明大幅度地减少了绝热耦合器的器件尺寸，可以实现光子集成芯片中的小型化设计。
附图说明
图1为本发明实施例的绝热耦合器的输入端横截面；
图2为本发明实施例的绝热耦合器的输出端横截面；
图3为本发明实施例的绝热耦合器的第一硅芯及第二硅芯连接示意图；
图4为本发明与传统直线连接设计的模式传输效率曲线的对比图；
其中，附图标记为：1、包层；2、第一硅芯；3、第二硅芯；4-1、第一输入端；5-1、第一绝热锥形波导；6-1、第二绝热锥形波导；7-1、第三绝热锥形波导；8-1、第四绝热锥形波导；9-1、第五绝热锥形波导；10-1、第六绝热锥形波导；11-1、第七绝热锥形波导；12-1、第一输出端；4-2、第二输入端；5-2、第八绝热锥形波导；6-2、第九绝热锥形波导；7-2、第十绝热锥形波导；8-2、第十一绝热锥形波导；9-2、第十二绝热锥形波导；10-2、第十三绝热锥形波导；11-2、第十四绝热锥形波导；12-2、第二输出端。
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1-3所示，一种基于条形波导的绝热耦合器，包括包层1、第一硅芯2及第二硅芯3；第一硅芯2、第二硅芯3四周均设置包层1；第一硅芯2、第二硅芯3均为条状波导；沿光束传播方向，第一硅芯2包括依次连接的第一输入端4-1、第一绝热锥形波导5-1、第二绝热锥形波导6-1、第三绝热锥形波导7-1、第四绝热锥形波导8-1、第五绝热锥形波导9-1、第六绝热锥形波导10-1、第七绝热锥形波导11-1、及第一输出端12-1；第二硅芯3包括依次连接的第二输入端4-2、第八绝热锥形波导5-2、第九绝热锥形波导6-2、第十绝热锥形波导7-2、第十一绝热锥形波导8-2、第十二绝热锥形波导9-2、第十三绝热锥形波导10-2、第十四绝热锥形波导11-2及第二输出端12-2；
包层1的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0，厚度为h0；第一硅芯2与第二硅芯3的折射率nSi＝3.455，厚度为h＝220nm；第一硅芯2和第二硅芯3之间的间隙宽度设置为g＝100nm；入射光束波长为1.55μm；第一输入端4-1的宽度为WI＝480nm；第二输入端4-2的宽度为wI＝480nm；第一输出端12-1的宽度为WO＝610nm；第二输出端12-2的宽度为wO＝350nm；包层1的宽度和高度分别设置为W0＝3500nm和h0＝1500nm；第一输入端4-1和第一输出端12-1为平行板波导，宽度分别为WI＝480nm和WO＝610nm；第二输入端4-2和第二输出端12-2为平行板波导，宽度分别为wI＝480nm和wO＝350nm；长度LI和LO均为5000nm。
第一绝热锥形波导5-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W1＝480nm和W2＝484nm；第八绝热锥形波导5-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w1＝480nm和w2＝476nm；长度L1＝15492nm。
第二绝热锥形波导6-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W2＝484nm和W2＝488nm；第九绝热锥形波导6-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w2＝476nm和w2＝472nm；长度L2＝14099nm。
第三绝热锥形波导7-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W3＝488nm和W4＝494nm；第十绝热锥形波导7-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w3＝472nm和w4＝466nm；长度L3＝14393nm。
第四绝热锥形波导8-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W4＝494nm和W5＝500nm；第十一绝热锥形波导8-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w4＝466nm和w5＝460nm；长度L4＝10144nm。
第五绝热锥形波导9-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W5＝500nm和W6＝510nm；第十二绝热锥形波导9-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w5＝460nm和w6＝450nm；长度L5＝8772nm。
第六绝热锥形波导10-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W6＝510nm和W7＝530nm；第十三绝热锥形波导10-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w6＝450nm和w7＝430nm；长度L6＝6390nm。
第七绝热锥形波导11-1的初始端波导宽度和末端宽度分别为W7＝530nm和W8＝610nm；第十四绝热锥形波导11-2的初始端波导宽度和末端宽度分别为w7＝430nm和w8＝350nm；长度L7＝3800nm。
对于TE模或TM模，在本发明绝热耦合器中，当光束模式端口一或端口二发射时，绝热耦合器中所有能量都停留在激发的超模中，当光束模式在该绝热耦合器中传播时，既不会发生模式干扰，也不会发生模式转换。
本发明设计的绝热耦合器的传输效率如图4所示。从图中可以看出，当要实现99％的传输效率时，本发明方案只需要15μm的长度，而传统直线连接方式需要121.5μm的长度，其所需要的长度是本发明方案所需要长度的8.1倍。因此，本发明提出的绝热耦合器实现了超紧凑型器件的设计，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更高集成度的设计目标
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，包括包层(1)、第一硅芯(2)及第二硅芯(3)；所述第一硅芯(2)、第二硅芯(3)四周均设置包层(1)；所述第一硅芯(2)、第二硅芯(3)均为条状波导；沿光束传播方向，所述第一硅芯(2)包括依次连接的第一输入端(4-1)、第一绝热锥形波导(5-1)、第二绝热锥形波导(6-1)、第三绝热锥形波导(7-1)、第四绝热锥形波导(8-1)、第五绝热锥形波导(9-1)、第六绝热锥形波导(10-1)、第七绝热锥形波导(11-1)及第一输出端(12-1)；所述第二硅芯(3)包括依次连接的第二输入端(4-2)、第八绝热锥形波导(5-2)、第九绝热锥形波导(6-2)、第十绝热锥形波导(7-2)、第十一绝热锥形波导(8-2)、第十二绝热锥形波导(9-2)、第十三绝热锥形波导(10-2)、第十四绝热锥形波导(11-2)及第二输出端(12-2)；
所述包层(1)的材料为SiO2，折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0，厚度为h0；第一硅芯(2)与第二硅芯(3)的折射率nSi＝3.455，厚度为h＝220nm；第一硅芯(2)和第二硅芯(3)之间的间隙宽度设置为g＝100nm；入射光束波长为1.55μm；所述第一输入端(4-1)的宽度为WI＝480nm；所述第二输入端(4-2)的宽度为wI＝480nm；所述第一输出端(12-1)的宽度为WO＝610nm；所述第二输出端(12-2)的宽度为wO＝350nm；所述包层(1)的宽度和高度分别设置为W0＝3500nm和h0＝1500nm；所述第一输入端(4-1)和第一输出端(12-1)为平行板波导，宽度分别为WI＝480nm和WO＝610nm；所述第二输入端(4-2)和第二输出端(12-2)为平行板波导，宽度分别为wI＝480nm和wO＝350nm；长度LI和LO均为5000nm。
2.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第一绝热锥形波导(5-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W1＝480nm和W2＝484nm；所述第八绝热锥形波导(5-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w1＝480nm和w2＝476nm；长度L1＝15492nm。
3.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第二绝热锥形波导(6-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W2＝484nm和W2＝488nm；所述第九绝热锥形波导(6-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w2＝476nm和w2＝472nm；长度L2＝14099nm。
4.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第三绝热锥形波导(7-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W3＝488nm和W4＝494nm；所述第十绝热锥形波导(7-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w3＝472nm和w4＝466nm；长度L3＝14393nm。
5.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第四绝热锥形波导(8-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W4＝494nm和W5＝500nm；所述第十一绝热锥形波导(8-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w4＝466nm和w5＝460nm；长度L4＝10144nm。
6.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第五绝热锥形波导(9-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W5＝500nm和W6＝510nm；所述第十二绝热锥形波导(9-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w5＝460nm和w6＝450nm；长度L5＝8772nm。
7.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第六绝热锥形波导(10-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W6＝510nm和W7＝530nm；所述第十三绝热锥形波导(10-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w6＝450nm和w7＝430nm；长度L6＝6390nm。
8.根据权利要求1所述的基于条形波导的绝热耦合器，其特征在于，所述第七绝热锥形波导(11-1)的初始端波导宽度和末端宽度分别为W7＝530nm和W8＝610nm；所述第十四绝热锥形波导(11-2)的初始端波导宽度和末端宽度分别为w7＝430nm和w8＝350nm；长度L7＝3800nm。
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