[發(fā)明專利]基于片上集成龍柏透鏡的超寬帶模斑轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011208110.9
• 申請(qǐng)日: 2020-11-03
• 公開（公告）號(hào): CN112241047B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈健;張永;蘇翼凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/124
• 分類號(hào): G02B6/124;G02B6/32
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于片上集成龍柏透鏡的超寬帶模斑轉(zhuǎn)換器，包括：龍柏透鏡以及設(shè)置于其上的硅波導(dǎo)、輸入端和輸出端，其中：輸入端和輸出端分別設(shè)置于龍柏透鏡兩側(cè)；硅波導(dǎo)包括：第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)。的第一波導(dǎo)的寬度大于第二波導(dǎo)的寬度。龍柏透鏡的結(jié)構(gòu)為上下包層均為SiO₂的硅超材料層。龍柏透鏡具有徑向的占空比分布，本發(fā)明通過(guò)片上集成的龍柏透鏡的梯度折射率的超材料結(jié)構(gòu)獲得所需的折射率分布，并與硅波導(dǎo)集成，從而實(shí)現(xiàn)不同寬度波導(dǎo)中的模斑尺寸匹配，具有非常大的寬帶，尺寸小，損耗低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種集成光子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于片上集成龍柏(Luneburg)透鏡的超寬帶模斑轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

在集成光路中，為了實(shí)現(xiàn)超寬的工作帶寬和較小的傳輸損耗，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、耦合效率高的光器件，其中一類重要的器件是模斑轉(zhuǎn)換器。模斑轉(zhuǎn)換器是用來(lái)匹配不同模斑尺寸的光器件，它可以改變模斑尺寸，從而實(shí)現(xiàn)不同寬度波導(dǎo)之間的低損耗耦合。硅基光子器件具有強(qiáng)模場(chǎng)束縛的特性，且能夠與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS工藝相兼容的優(yōu)點(diǎn)，是集成光路的理想選擇。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜、需要利用聚焦離子束刻蝕或灰度曝光技術(shù)導(dǎo)致制造難度大的不足，提出一種基于片上集成龍柏透鏡的超寬帶模斑轉(zhuǎn)換器，通過(guò)梯度折射率的超材料結(jié)構(gòu)獲得龍柏透鏡所需的折射率分布，并與硅波導(dǎo)集成，從而實(shí)現(xiàn)不同寬度波導(dǎo)中的模斑尺寸匹配。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：片上集成龍柏透鏡以及設(shè)置于其上的硅波導(dǎo)、輸入端和輸出端，其中：輸入端和輸出端分別設(shè)置于龍柏透鏡兩側(cè)。

所述的硅波導(dǎo)包括：第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)，其中：第一波導(dǎo)設(shè)置于輸入端一側(cè)，第二波導(dǎo)設(shè)置于輸出端一側(cè)。

所述的第一波導(dǎo)的寬度大于第二波導(dǎo)的寬度。

所述的片上集成龍柏透鏡的結(jié)構(gòu)為上下包層均為二氧化硅的硅超材料層，該硅超材料層為梯度占空比的硅納米棒天線陣列結(jié)構(gòu)。

所述的龍柏透鏡具有徑向的占空比分布，折射率分布滿足：其中：n_e為邊緣折射率，R_lens為龍柏透鏡的半徑，R為距離龍柏透鏡中心的徑向距離，龍柏透鏡的長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝2R_lens。

所述的龍柏透鏡中的最大折射率與最小折射率關(guān)系為其中：n_min是指龍柏透鏡中的最小折射率值，n_max是指龍柏透鏡中的最大折射率值。

所述的龍柏透鏡的等效材料折射率為：其中：n_meta(R)、n_Si和n_SiO2分別為等效材料、硅和二氧化硅的折射率，δ(R)為納米棒的占空比。

技術(shù)效果

本發(fā)明完成光場(chǎng)模斑的尺寸轉(zhuǎn)換，從而將寬波導(dǎo)中的光以極低的損耗耦合到硅基芯片中窄的硅波導(dǎo)中；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)從1.26μm～2μm之間模斑尺寸的轉(zhuǎn)換，帶寬達(dá)到740nm，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)；在740nm的帶寬范圍內(nèi)，模斑尺寸轉(zhuǎn)換損耗在1dB以內(nèi)，損耗要低于現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明長(zhǎng)11.2μm，占地面積小于現(xiàn)有技術(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明仿真透射光譜圖；

圖3為本發(fā)明TE模斑轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)為1.55μm的仿真光譜圖；

圖4為本發(fā)明TE模斑轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)為1.26μm的仿真光譜圖；

圖5為本發(fā)明TE模斑轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)為2μm的仿真光譜圖；

圖中：片上集成龍柏透鏡1、硅波導(dǎo)2、輸入端3、輸出端4、第一波導(dǎo)5、第二波導(dǎo)6。