[發(fā)明專利]一種小型寬帶模式轉(zhuǎn)換器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210010395.8
• 申請(qǐng)日: 2022-01-06
• 公開（公告）號(hào): CN114019606B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李爾平;林曉斌;林宏?duì)c
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/14
• 分類號(hào): G02B6/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了一種小型寬帶模式轉(zhuǎn)換器件。包括襯底、信號(hào)輸入波導(dǎo)，信號(hào)輸出波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換區(qū)域；信號(hào)輸入波導(dǎo)，信號(hào)輸出波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換區(qū)域均布置在襯底上；模式轉(zhuǎn)換區(qū)域通過拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)，連接在所述信號(hào)輸入波導(dǎo)和信號(hào)輸出波導(dǎo)之間；TE0模式的信號(hào)經(jīng)輸入波導(dǎo)輸入，經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換區(qū)域后被轉(zhuǎn)換成TE1模式信號(hào)輸出。本發(fā)明基于伴隨源法對(duì)器件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)了寬帶的模式轉(zhuǎn)換功能，以解決傳統(tǒng)片上模式轉(zhuǎn)換器件中存在的占位面積大、性能不穩(wěn)定、帶寬窄的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通訊技術(shù)領(lǐng)域的一種寬帶模式轉(zhuǎn)換器件，尤其涉及一種小型基于拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)的硫系寬帶模式轉(zhuǎn)換器件。

背景技術(shù)

在過去的幾十年里，隨著集成光子學(xué)電路、摻鉺光纖放大器、以及通信復(fù)用技術(shù)的進(jìn)步，光通信網(wǎng)絡(luò)的容量得到了極大地提高，然而最近一段時(shí)間的科學(xué)研究證實(shí)了傳統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量已經(jīng)愈來愈接近于其非線性香農(nóng)極限，因此為了增加通信系統(tǒng)容量，滿足人們對(duì)業(yè)務(wù)帶寬的需要，模分復(fù)用技術(shù)出現(xiàn)了。模分復(fù)用器件能夠通過在通信系統(tǒng)中復(fù)用不同的模式，可以使光通信系統(tǒng)的容量提升數(shù)倍，但是模分復(fù)用離不開對(duì)于模式的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換器件主要有塊狀光學(xué)器件，光纖和光波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，這些器件都需要的嚴(yán)格的加工和排布，同時(shí)會(huì)引入很大的插入損耗，同時(shí)面臨著尺寸太大、工作帶寬小、器件功能缺乏靈活性等缺點(diǎn)。

最關(guān)鍵的是，受限于石英光纖的透明窗口、摻鉺光纖放大器的增益譜和CMOS工藝，大部分設(shè)計(jì)都是基于硅基光子器件，工作在近紅外波段，但是除了硅以外，硫系材料也是集成光子學(xué)的重要的平臺(tái)之一。硫系材料是指包含了在元素周期表中Ⅵ族“硫系元素”的化合物，一般指S、Se和Te。相比于硅系材料，硫系材料由于具有眾多的光敏性、寬紅外窗口和高光學(xué)非線性的特點(diǎn)在光通信、醫(yī)療和國(guó)防工業(yè)都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。得益于寬帶空心光纖和摻銩光纖放大器的出現(xiàn)，中紅外通信成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，而硫系材料在中紅外擁有極廣的透明窗口，同時(shí)硫基光子器件的制備也與現(xiàn)行的CMOS工藝相契合，但是對(duì)于硫基光子器件而言，由于硫系玻璃的折射率小于硅，器件結(jié)構(gòu)大于硅的結(jié)構(gòu)，工作波長(zhǎng)的增加，也帶來模場(chǎng)面積的增大和更多的模場(chǎng)泄露，這些都使得硫基光子器件的存在挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種小型基于拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)的硫系寬帶模式轉(zhuǎn)換器件，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

本發(fā)明包括基于硫系介質(zhì)的光子器件實(shí)現(xiàn)中紅外波段低損信號(hào)傳輸功能；基于伴隨源法對(duì)器件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)2025nm的信號(hào)的寬帶波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從TE0模式到TE1模式之間的相互轉(zhuǎn)換，填補(bǔ)了硫系模式轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)的空白。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括：

襯底；

信號(hào)輸入波導(dǎo)，布置在所述襯底上；

信號(hào)輸出波導(dǎo)，布置在所述襯底上；

模式轉(zhuǎn)換區(qū)域，所述模式轉(zhuǎn)換區(qū)域布置在所述襯底上，模式轉(zhuǎn)換區(qū)域被劃分單元且通過拓?fù)鋬?yōu)化逆向設(shè)計(jì)，連接在所述信號(hào)輸入波導(dǎo)和信號(hào)輸出波導(dǎo)之間；TE0模式的信號(hào)從信號(hào)輸入波導(dǎo)輸入，經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換區(qū)域后被轉(zhuǎn)換成TE1模式信號(hào)從信號(hào)輸出波導(dǎo)輸出；TE1模式的信號(hào)經(jīng)信號(hào)輸出波導(dǎo)輸入，經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換區(qū)域后被轉(zhuǎn)換成TE0模式信號(hào)從信號(hào)輸入波導(dǎo)輸出。

本發(fā)明所述的“小型”是指尺寸小于10*10微米。

本發(fā)明所述的“寬帶”是指工作帶寬大于等于100納米。

所述襯底材質(zhì)為二氧化硅。

所述信號(hào)輸入波導(dǎo)和信號(hào)輸出波導(dǎo)選用的材質(zhì)均為硫系玻璃材料。硫系材料由于具有眾多的光敏性、寬紅外窗口和高光學(xué)非線性的特點(diǎn)，使得器件能夠低損工作在紅外波段。

所述模式轉(zhuǎn)換區(qū)域在立體空間中被劃分成n*n個(gè)單元長(zhǎng)方體，每個(gè)單元立方體具有兩種可能的材料狀態(tài)，分為空氣或者硫系玻璃材料。