[發明專利]一種基于表面等離子激元的硅基模階數轉換器的設計方法

有效

• 申請號: 202010716604.1
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN112394506B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 徐銀;劉路平;倪屹
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B6/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于表面等離子激元的硅基模階數轉換器的設計方法，通過在硅基波導的上表面沉積不同數量大小的金屬錐體，并且調整金屬錐體的位置，來實現硅基波導橫電基模到高階橫電模式的轉換，具有極高的功能可擴展性，通過本發明設計，將有助于構建起片上系列可擴展式硅基模階數轉換器，進而有效提升片上模分復用系統的傳輸容量和帶寬，推動大容量片上光互連技術的快速發展。

技術領域

本發明涉及硅基集成光子學技術領域，特別涉及一種基于表面等離子激元的硅基模階數轉換器的設計方法。

背景技術

在后摩爾時代，集成電路面臨著由基本電互連所引發的固有電路延遲、低速率、窄帶寬、高功耗等問題，并且隨著加工工藝的進步，上述電互連帶來的問題愈發凸顯。為此，人們將目光轉向了光互連，基于光互連的低延遲、超高速率、超大帶寬、低功耗、抗電磁干擾等優勢，利用光互連技術開發相應的片上光子集成回路對未來光通信、光傳感、數據中心、高性能計算等領域的發展都大有裨益。光子集成回路可以利用如今成熟的微電子加工工藝平臺(如CMOS工藝平臺)，實現片上光子集成器件的大規模批量化生產，具有低成本、高集成度、高可靠性等優勢。由于光子波長比電子波長大了約兩個數量級，使得傳統光子集成器件的尺寸比微電子器件也大了約兩個數量級，因此，如何有效地實現光子集成器件的小型化，如何將光子集成器件尺寸不斷縮小至納米尺度，突破衍射極限，這些技術的突破將有效提升光子集成系統的集成度，降低功耗，進而有助于實現大規模、多功能、高性能光子集成回路的構建。通過在介質波導表面沉積金屬，可以有助于激發表面等離子激元模式，利用表面等離子激元模式擁有的極強光場局域與增強特性，可突破傳統光學的衍射極限，實現光子集成器件的小型化與高密度集成的目標。為此，金屬表面等離子激元被認為是實現光子集成器件小型化的重要技術手段。

如今，面對信息技術的飛躍式升級，云計算、大數據、人工智能、物聯網等技術應用蓬勃發展，對光鏈路傳輸容量、帶寬提出了極高要求，主流光纖通信系統的傳輸容量已經逼近極限，因此復用技術應運而生，如波分復用(WDM)，偏振復用(PDM)，模分復用(MDM)。其中MDM技術因擺脫了對昂貴多波長激光器的需求，復用成本較WDM和PDM 有明顯優勢，且在單一工作波長上可以復用多個高階模式，系統傳輸容量將成倍增加。對于片上MDM傳輸系統，其關鍵功能在于產生與復用多個高階模式，每增加一個高階模式，系統傳輸容量將提升一倍，所以高性能、可擴展式系列模階數轉換器成為了片上MDM 系統的核心元器件。與此同時，為實現片上MDM密集集成的要求，模階數轉換器的尺寸需要進一步縮小，性能需要提升，所支持的模式轉換數量需較多且可擴展。上述目標的實現將為片上MDM系統提供可擴展式傳輸信道，助力系統傳輸容量和帶寬的成倍增加。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種能夠滿足片上模分復用傳輸系統對超大傳輸容量和帶寬需求的高性能，小尺寸，可擴展式的基于表面等離子激元的硅基模階數轉換器的設計方法。

技術方案：本發明所述的基于表面等離子激元的硅基模階數轉換器的設計方法，包括有以下步驟：

S1：將輸入的硅基波導橫電基模TE₀轉變為1階橫電模式，即TE₀-TE₁：將單個金屬錐體設置在硅基波導的頂部側半邊；

S2：將輸入的硅基波導橫電基模TE₀轉變為2階橫電模式，即TE₀-TE₂：包括有兩種結構：

S2.1：將兩個相同的金屬錐體對稱設置在硅基波導的頂部兩側；

S2.2：將單個金屬錐體設置在硅基波導的頂部中間位置。

S3：將輸入的硅基波導橫電基模TE₀轉變為3階橫電模式，即TE₀-TE₃：將兩個不同的金屬錐體以非對稱形式設置在硅基波導頂部；