[發明專利]基于超表面結構的超緊湊硅波導模式轉換器件

有效

• 申請號: 201910432113.1
• 申請日: 2019-05-23
• 公開（公告）號: CN111983754B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 王洪煒;張永;何宇;孫璐;蘇翼凱
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種緊湊硅波導模式轉換器，其特征在于，為基于具有傾斜的亞波長周期性擾動的電介質超表面結構，包括：在SOI基片上蝕刻出的若干個周期為Λ、占空比為α(為一個周期內刻蝕的硅波導長度除以周期Λ)傾斜角度為θ的斜向亞波長擾動的頂層硅結構，減少耦合過程中的損耗，并且在極短距離內實現模式耦合；

所述的斜向亞波長擾動的頂層硅結構滿足模式耦合方程：其中：A、B分別為模式a、b的幅值，β_a和β_b分別表示模式a和模式b的傳播系數；κ_ab和κ_ba代表波導模式a和b之間的交換耦合系數，即模式耦合系數，且κ_ab＝κ_ba^*，j為虛數單位，z為傳播方向的坐標；

所述的模式轉換器，其耦合過程只需要一個耦合周期，即耦合長度L＝δ，并且傾斜角度其中：w為波導寬度，Λ為亞波長結構的周期，δ為相位耦合長度，須滿足相位匹配條件，這里的n為TE₀-TE_n模式轉換器中模式TE_n的階數。

2.根據權利要求1所述的緊湊硅波導模式轉換器，其特征是，所述的模式轉換器，其相位匹配條件滿足：根據該條件，TE_a模式和TE_b模式在δ/2上傳播后異相，因此，在δ/2之后需要將κ_ab從正值變為負值，以確保TE_a模式始終對轉換為TE_b模式有轉換貢獻，Δβ＝β_a-β_b，其中β_a和β_b分別表示模式a和模式b的傳播系數。

3.根據權利要求1所述的緊湊硅波導模式轉換器，其特征是，所述的模式耦合系數進一步表示為其中：E_a(x，y)和E_b(x，y)分別代表波導模式a和b在沒有微擾下的場分布，ω代表選擇轉換的頻率，Δε(x，y，z)表示周期性微擾對應的介電常數的變化，與刻蝕形狀相關。

4.根據權利要求1所述的緊湊硅波導模式轉換器，其特征是，所述的超表面結構圖形通過在SOI基片上刻蝕220nm的頂層硅實現，刻蝕深度為110～130nm，表面覆蓋二氧化硅作為保護層。