[發(fā)明專利]一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110243498.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112946817B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖金標(biāo);郭振釗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/14
• 分類號(hào): G02B6/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：硅基襯底、掩埋氧化層、模式階數(shù)轉(zhuǎn)換部件和上包層，模式階數(shù)轉(zhuǎn)換部件包括輸入通道、左錐形通道、中路通道、右錐形通道和右輸出通道。輸入通道的一端和左錐形通道較寬的一端相連，輸出通道的一端和右錐形通道較寬的一端相連。左錐形通道和右錐形通道兩側(cè)布有亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，分別構(gòu)成左模式過(guò)渡部件和右模式過(guò)渡部件。中間直通通道位于左模式過(guò)渡部件和右模式過(guò)渡部件中間，與左右兩個(gè)模式過(guò)渡部件的間隔均為半個(gè)光柵周期長(zhǎng)度。本發(fā)明具有低插入損耗、高轉(zhuǎn)換效率、尺寸緊湊且設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

最近，絕緣硅片(SOI)材料平臺(tái)受到了廣泛的關(guān)注。由于其高折射率差的特點(diǎn)，基于SOI平臺(tái)的器件對(duì)光有很強(qiáng)的限制作用，從而極大縮小了光波導(dǎo)器件的尺寸，利于提高集成光子回路(PICs)的集成度，在許多光學(xué)領(lǐng)域得到了實(shí)際的應(yīng)用。基于SOI平臺(tái)的片上模分復(fù)用系統(tǒng)(MDM)，利用不同階數(shù)的本征模來(lái)加載光信號(hào)來(lái)提高光通信的容量，是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)應(yīng)用。對(duì)片上模分復(fù)用系統(tǒng)而言，模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器是該系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要組成元件，該器件可以實(shí)現(xiàn)模式從低階模式到高階模式的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)使用定向耦合器波導(dǎo)、淺刻蝕波導(dǎo)、或者多模干涉波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)模式從低階到高階的轉(zhuǎn)換；但這些器件都一般具有工藝復(fù)雜，尺寸較大，窄帶寬的缺點(diǎn)，且只能實(shí)現(xiàn)基模到高階模式之間的轉(zhuǎn)換，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同高階模式之間的轉(zhuǎn)換。所以，設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)緊湊、高消光比、低損耗且具備不同階數(shù)模式之間靈活轉(zhuǎn)換功能的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)于片上模分復(fù)用系統(tǒng)是很有必要的。近年，亞波長(zhǎng)光柵(SWG)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)倍受研究學(xué)者的關(guān)注，該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的衍射和反射抑制作用，在亞波長(zhǎng)波段區(qū)域可看作是均勻介質(zhì)材料，為模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)提供新的自由度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器,以解決損耗高，轉(zhuǎn)換效率低，不具備不同階數(shù)模式之間靈活轉(zhuǎn)換功能的技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的模式階數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括硅基襯底、掩埋氧化層、模式階數(shù)轉(zhuǎn)換部件和上包層，所述掩埋氧化層生長(zhǎng)于硅基襯底的上表面；

所述上包層覆蓋掩埋氧化層的上表面；

所述模式階數(shù)轉(zhuǎn)換部件水平生長(zhǎng)于掩埋氧化層的上表面，且完全被上包層所覆蓋，模式階數(shù)轉(zhuǎn)換部件包括中間直通通道、左模式過(guò)渡部件和右模式過(guò)渡部件；

所述左模式過(guò)渡部件包括輸入通道、左錐形通道及其兩端亞波長(zhǎng)光柵，輸入通道的右端和左錐形通道較寬的左端相連；

所述右模式過(guò)渡部件包括輸出通道、右錐形通道及其兩端亞波長(zhǎng)光柵，輸出通道的左端和右錐形通道較寬的右端相連；

所述中間直通通道為亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，位于左模式過(guò)渡部件和右模式過(guò)渡部件中間，中間直通通道與左模式過(guò)渡部件的間隔為半個(gè)光柵周期長(zhǎng)度，中間直通通道與右模式過(guò)渡部件的間隔也為半個(gè)光柵周期長(zhǎng)度，中間直通通道的寬度與左模式過(guò)渡部件和右模式過(guò)渡部件的寬度相同。

進(jìn)一步的，所述輸入通道、左錐形通道、中間直通通道、右錐形通道和輸出通道均為硅基波導(dǎo)，且厚度均相同。

進(jìn)一步的，所述亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)中高折射率材料為硅。

進(jìn)一步的，所述輸入通道、左錐形通道、中間直通通道、右錐形通道、輸出通道的尺寸，使輸入模式和輸出模式滿足下式：

其中表示輸入通道所支持的第p階TE模的有效折射率，表示輸出通道所支持的第q階TE模的有效折射率,p和q為非負(fù)整數(shù)且滿足pq。